System kodu DNA. DNA i geny

Kod genetyczny to system rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, które tworzą kodony odpowiadające aminokwasom w białku.

Właściwości kodu genetycznego.

Kod genetyczny ma kilka właściwości.

Trójka.

Degeneracja lub nadmiarowość.

Jednoznaczność.

Biegunowość.

Bez nakładania się.

Ścisłość.

Wszechstronność.

Należy zauważyć, że niektórzy autorzy proponują również inne właściwości kodu związane z charakterystyką chemiczną zawartych w kodzie nukleotydów lub z częstością występowania poszczególnych aminokwasów w białkach ustrojowych itp. Jednak te właściwości wynikają z powyższego, więc rozważymy je tam.

ale. Trójka. Kod genetyczny, podobnie jak wiele złożonych systemów zorganizowanych, ma najmniejszą jednostkę strukturalną i funkcjonalną. Trójka to najmniejsza strukturalna jednostka kodu genetycznego. Składa się z trzech nukleotydów. Kodon jest najmniejszą funkcjonalną jednostką kodu genetycznego. Z reguły tryplety mRNA nazywane są kodonami. W kodzie genetycznym kodon pełni kilka funkcji. Po pierwsze, jego główną funkcją jest to, że koduje jeden aminokwas. Po drugie, kodon może nie kodować aminokwasu, ale w tym przypadku pełni inną funkcję (patrz niżej). Jak widać z definicji, tryplet to pojęcie, które charakteryzuje podstawowy jednostka strukturalna kod genetyczny (trzy nukleotydy). Kodon - charakteryzuje elementarna jednostka semantyczna genom – trzy nukleotydy warunkują przyłączenie jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego.

Elementarną jednostkę strukturalną rozszyfrowano najpierw teoretycznie, a następnie potwierdzono eksperymentalnie jej istnienie. Rzeczywiście, 20 aminokwasów nie może być kodowanych przez jeden lub dwa nukleotydy. te ostatnie to tylko 4. Trzy z czterech nukleotydów dają 4 3 = 64 warianty, co więcej niż przekracza liczbę aminokwasów dostępnych w organizmach żywych (patrz Tabela 1).

Kombinacje nukleotydów przedstawione w Tabeli 64 mają dwie cechy. Po pierwsze, z 64 wariantów trojaczków tylko 61 to kodony i kodują dowolny aminokwas, nazywa się je kodony zmysłowe... Trzy trojaczki nie kodują

aminokwasy a są sygnałami stop wskazującymi na koniec translacji. Są trzy takie trojaczki - UAA, UAG, UGA, są również nazywane „bezsensownymi” (kodonami nonsensownymi). W wyniku mutacji, która jest związana z wymianą jednego nukleotydu w trójce na inny, z kodonu sensownego może powstać kodon pozbawiony znaczenia. Ten rodzaj mutacji nazywa się nonsensowna mutacja... Jeżeli taki sygnał stop powstanie wewnątrz genu (w jego części informacyjnej), to podczas syntezy białka w tym miejscu proces będzie stale przerywany – syntetyzowana będzie tylko pierwsza (przed sygnałem stop) część białka. Osoba z tą patologią będzie miała brak białka i objawy związane z tym brakiem. Na przykład ten rodzaj mutacji został znaleziony w genie kodującym łańcuch beta hemoglobiny. Syntetyzowany jest skrócony nieaktywny łańcuch hemoglobiny, który szybko ulega zniszczeniu. W efekcie powstaje cząsteczka hemoglobiny pozbawiona łańcucha beta. Oczywiste jest, że taka cząsteczka prawdopodobnie nie spełni w pełni swoich obowiązków. Występuje poważna choroba, rozwijająca się jako niedokrwistość hemolityczna (talasemia beta-zero, od greckiego słowa „Talas” - Morze Śródziemne, gdzie po raz pierwszy odkryto tę chorobę).

Mechanizm działania kodonów stop jest inny niż kodonów sensownych. Wynika to z faktu, że dla wszystkich kodonów kodujących aminokwasy znaleziono odpowiednie tRNA. Nie znaleziono tRNA dla nonsensownych kodonów. Dlatego tRNA nie bierze udziału w procesie zatrzymania syntezy białek.

KodonSIE (czasami GUG u bakterii) nie tylko kodują aminokwas metioninę i walinę, ale takżeinicjator transmisji .

b. Degeneracja lub nadmiarowość.

61 z 64 trojaczków koduje 20 aminokwasów. Takie trzykrotne przekroczenie liczby trypletów nad liczbą aminokwasów sugeruje, że w przekazywaniu informacji można zastosować dwie opcje kodowania. Po pierwsze, nie wszystkie 64 kodony mogą być zaangażowane w kodowanie 20 aminokwasów, ale tylko 20, a po drugie, aminokwasy mogą być kodowane przez kilka kodonów. Badania wykazały, że natura skorzystała z tej drugiej opcji.

Jego preferencja jest oczywista. Gdyby tylko 20 z 64 wariantów trójek brało udział w kodowaniu aminokwasów, to 44 trójki (z 64) pozostałyby niekodujące, tj. bez znaczenia (bezsensowne kodony). Wcześniej zwracaliśmy uwagę na to, jak niebezpieczna dla życia komórki jest przekształcenie trójki kodującej w wyniku mutacji w kodon nonsensowny – to znacząco zaburza normalne działanie polimerazy RNA, prowadząc ostatecznie do rozwoju chorób. Obecnie w naszym genomie trzy kodony nie mają znaczenia, ale teraz wyobraź sobie, jak by to było, gdyby liczba nonsensownych kodonów wzrosła około 15 razy. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji przejście normalnych kodonów do nonsensownych kodonów będzie niezmiernie wyższe.

Kod, w którym jeden aminokwas jest kodowany przez kilka trypletów, nazywany jest zdegenerowanym lub nadmiarowym. Kilka kodonów odpowiada prawie każdemu aminokwasowi. Tak więc aminokwas leucyna może być kodowany przez sześć trypletów - UUA, UUG, CUU, CUTS, CUA, CUG. Walina jest kodowana przez cztery trojaczki, fenyloalanina przez dwie i tylko tryptofan i metionina są kodowane przez jeden kodon. Właściwość, która jest związana z zapisem tej samej informacji za pomocą różnych symboli, nazywa się degeneracja.

Liczba kodonów przypisanych do jednego aminokwasu dobrze koreluje z częstością występowania tego aminokwasu w białkach.

I to najprawdopodobniej nie jest przypadkowe. Im wyższa częstość występowania aminokwasu w białku, im częściej w genomie prezentowany jest kodon tego aminokwasu, tym większe prawdopodobieństwo jego uszkodzenia przez czynniki mutagenne. Dlatego jasne jest, że zmutowany kodon ma większą szansę na zakodowanie tego samego aminokwasu, biorąc pod uwagę jego wysoką degenerację. Z tych pozycji degeneracja kodu genetycznego jest mechanizmem chroniącym ludzki genom przed uszkodzeniem.

Należy zauważyć, że termin degeneracja jest używany w genetyce molekularnej i w innym sensie. Tak więc główna część informacji w kodonie przypada na pierwsze dwa nukleotydy, zasada w trzeciej pozycji kodonu jest nieistotna. Zjawisko to nazywa się „degeneracją trzeciej bazy”. Ta ostatnia cecha minimalizuje efekt mutacji. Na przykład wiadomo, że główną funkcją czerwonych krwinek jest przenoszenie tlenu z płuc do tkanek i dwutlenku węgla z tkanek do płuc. Ta funkcja jest wykonywana przez pigment oddechowy - hemoglobinę, która wypełnia całą cytoplazmę erytrocytów. Składa się z części białkowej - globiny, która jest kodowana przez odpowiedni gen. Oprócz białka w cząsteczce hemoglobiny zawarty jest hem zawierający żelazo. Mutacje w genach globiny prowadzą do pojawienia się różnych wariantów hemoglobiny. Najczęściej mutacje są związane z zastąpienie jednego nukleotydu innym i pojawienie się nowego kodonu w genie, który może kodować nowy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny. W trójce w wyniku mutacji można zastąpić dowolny nukleotyd - pierwszy, drugi lub trzeci. Znanych jest kilkaset mutacji, które wpływają na integralność genów globiny. O 400 z nich są związane z substytucją pojedynczych nukleotydów w genie i odpowiednią substytucją aminokwasową w polipeptydzie. Spośród nich tylko 100 substytucje prowadzą do niestabilności hemoglobiny i różnego rodzaju chorób od łagodnych do bardzo ciężkich. 300 (około 64%) mutacji substytucyjnych nie wpływa na czynność hemoglobiny i nie prowadzi do patologii. Jednym z powodów jest wspomniana wyżej „degeneracja trzeciej zasady”, kiedy podstawienie trzeciego nukleotydu w triplecie kodującym serynę, leucynę, prolinę, argininę i niektóre inne aminokwasy prowadzi do pojawienia się kodonu synonimowego kodujący ten sam aminokwas. Fenotypowo ta mutacja się nie pojawi. Natomiast każda substytucja pierwszego lub drugiego nukleotydu w tryplecie w 100% przypadków prowadzi do pojawienia się nowego wariantu hemoglobiny. Ale nawet w tym przypadku może nie być poważnych zaburzeń fenotypowych. Powodem tego jest zastąpienie aminokwasu w hemoglobinie innym podobnym do pierwszego pod względem właściwości fizykochemicznych. Na przykład, jeśli aminokwas o właściwościach hydrofilowych zostanie zastąpiony innym aminokwasem o tych samych właściwościach.

Hemoglobina składa się z grupy żelazowo-porfirynowej hemu (dołączają się do niej cząsteczki tlenu i dwutlenku węgla) oraz białka - globiny. Hemoglobina dorosłych (HbA) zawiera dwa identyczne -łańcuszki i dwa -więzy. Cząsteczka -łańcuch zawiera 141 reszt aminokwasowych, -łańcuch - 146, - i Łańcuchy β różnią się wieloma resztami aminokwasowymi. Sekwencja aminokwasowa każdego łańcucha globiny jest kodowana przez własny gen. Kodowanie genów - łańcuch znajduje się w krótkim ramieniu chromosomu 16, -gen - w krótkim ramieniu chromosomu 11. Substytucja w kodowaniu genu - łańcuch hemoglobiny pierwszego lub drugiego nukleotydu prawie zawsze prowadzi do pojawienia się nowych aminokwasów w białku, dysfunkcji hemoglobiny i poważnych konsekwencji dla pacjenta. Na przykład zastąpienie „C” w jednej z trójek CAU (histydyny) przez „Y” doprowadzi do pojawienia się nowej trójki CAU, która koduje inny aminokwas - tyrozynę. Łańcuch β polipeptydu histydyny do tyrozyny destabilizuje hemoglobinę. Choroba rozwija methemoglobinemię. Zastąpienie w wyniku mutacji kwasu glutaminowego waliną na 6 pozycji -łańcuchy są przyczyną najpoważniejszej choroby - anemii sierpowatej. Nie kontynuujmy smutnej listy. Zauważamy tylko, że po zastąpieniu dwóch pierwszych nukleotydów aminokwas może wydawać się podobny pod względem właściwości fizykochemicznych do poprzedniego. Zatem zastąpienie drugiego nukleotydu w jednej z trójek kodujących kwas glutaminowy (GAA) w -łańcuch z „Y” prowadzi do pojawienia się nowego trypletu (GUA) kodującego walinę, a zastąpienie pierwszego nukleotydu przez „A” tworzy tryplet AAA kodujący aminokwas lizynę. Kwas glutaminowy i lizyna mają podobne właściwości fizykochemiczne - oba są hydrofilowe. Walina jest aminokwasem hydrofobowym. Dlatego zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofobową waliną znacząco zmienia właściwości hemoglobiny, co ostatecznie prowadzi do rozwoju anemii sierpowatokrwinkowej, natomiast zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofilową lizyną w mniejszym stopniu zmienia funkcję hemoglobiny – pacjenci mają postać łagodną anemii. W wyniku podstawienia trzeciej zasady nowa trójka może kodować te same aminokwasy co poprzednia. Na przykład, jeśli uracyl został zastąpiony cytozyną w trójce CAC i pojawiła się trójka CAC, to praktycznie nie zostaną wykryte żadne zmiany fenotypowe u ludzi. Jest to zrozumiałe, ponieważ oba tryplety kodują ten sam aminokwas, histydynę.

Podsumowując, należy podkreślić, że degeneracja kodu genetycznego i degeneracja trzeciej podstawy z ogólnego biologicznego punktu widzenia są mechanizmami obronnymi osadzonymi w ewolucji w unikalnej strukturze DNA i RNA.

w. Jednoznaczność.

Każda trójka (oprócz pozbawionych znaczenia) koduje tylko jeden aminokwas. Zatem w kierunku kodon - aminokwas kod genetyczny jest jednoznaczny, w kierunku aminokwas - kodon jest niejednoznaczny (zdegenerowany).

Niedwuznaczny

Kodon aminokwasowy

Zdegenerowany

I w tym przypadku potrzeba jednoznaczności w kodzie genetycznym jest oczywista. W innym wariancie, podczas translacji tego samego kodonu, do łańcucha białkowego wprowadzane byłyby różne aminokwasy, w wyniku czego powstawałyby białka o różnych strukturach pierwszorzędowych i różnych funkcjach. Metabolizm komórkowy przestawiłby się na tryb działania „jeden gen – kilka poipeptydów”. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji funkcja regulacyjna genów zostałaby całkowicie utracona.

Biegunowość

Odczytywanie informacji z DNA iz mRNA odbywa się tylko w jednym kierunku. Polaryzacja jest niezbędna do identyfikacji struktur wyższego rzędu (drugorzędne, trzeciorzędne itp.). Omówiliśmy wcześniej, że struktury niższego rzędu definiują struktury wyższego rzędu. Struktura trzeciorzędowa i struktury wyższego rzędu w białkach powstają natychmiast, gdy zsyntetyzowana nić RNA oddzieli się od cząsteczki DNA lub nić polipeptydowa odejdzie od rybosomu. Podczas gdy wolny koniec RNA lub polipeptydu nabywa strukturę trzeciorzędową, drugi koniec łańcucha jest nadal syntetyzowany na DNA (jeśli transkrybowany jest RNA) lub rybosomie (jeśli transkrybowany jest polipeptyd).

Dlatego jednokierunkowy proces odczytywania informacji (w syntezie RNA i białka) jest niezbędny nie tylko do określenia sekwencji nukleotydów lub aminokwasów w syntetyzowanej substancji, ale do sztywnego określenia drugorzędowych, trzeciorzędowych itp. Struktury.

e. Brak nakładania się.

Kod może się nakładać i nie nakładać. Większość organizmów nie ma nakładającego się kodu. W niektórych fagach znajduje się nakładający się kod.

Istotą kodu nienakładającego się jest to, że nukleotyd jednego kodonu nie może być jednocześnie nukleotydem innego kodonu. Gdyby kod się nakładał, to sekwencja siedmiu nukleotydów (GCCHCUG) mogłaby kodować nie dwa aminokwasy (alanina-alanina) (ryc. 33, A), jak w przypadku kodu nienakładającego się, ale trzy (jeśli jeden nukleotyd jest wspólny) (ryc. 33, B) lub pięć (jeśli dwa nukleotydy są wspólne) (zob. ryc. 33, C). W ostatnich dwóch przypadkach mutacja dowolnego nukleotydu doprowadziłaby do zakłócenia sekwencji dwóch, trzech itd. aminokwasy.

Stwierdzono jednak, że pojedyncza mutacja nukleotydowa zawsze zakłóca włączenie jednego aminokwasu do polipeptydu. Jest to istotny powód, dla którego kod się nie nakłada.

Wyjaśnijmy to na rysunku 34. Pogrubione linie pokazują tryplety kodujące aminokwasy w przypadku kodu nienakładającego się i nakładającego się. Eksperymenty jednoznacznie wykazały, że kod genetyczny się nie pokrywa. Nie wchodząc w szczegóły eksperymentu, zauważamy, że jeśli zastąpimy trzeci nukleotyd w sekwencji nukleotydowej (patrz ryc. 34)Mieć (oznaczone gwiazdką) na inne:

1. W przypadku kodu nienakładającego się, białko kontrolowane przez tę sekwencję będzie miało podstawienie jednego (pierwszego) aminokwasu (oznaczonego gwiazdkami).

2. Przy nakładającym się kodzie w opcji A nastąpiłaby zmiana w dwóch (pierwszym i drugim) aminokwasach (oznaczonych gwiazdkami). W wariancie B zamiana dotyczyłaby trzech aminokwasów (oznaczonych gwiazdkami).

Jednak liczne eksperymenty wykazały, że gdy zaburzony jest jeden nukleotyd w DNA, zaburzenia w białku zawsze dotyczą tylko jednego aminokwasu, co jest charakterystyczne dla kodu nienakładającego się.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

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

Alanina - Alanin Ala - Cis - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei

A B C

Nienakładający się kod Nakładający się kod

Figa. 34. Schemat wyjaśniający obecność nienakładającego się kodu w genomie (wyjaśnienie w tekście).

Brak nakładania się kodu genetycznego wiąże się z inną właściwością - odczyt informacji rozpoczyna się od pewnego punktu - sygnału inicjacji. Takim sygnałem inicjacji w mRNA jest kodon kodujący AUG metioniny.

Należy zauważyć, że ludzie nadal mają niewielką liczbę genów, które odbiegają od ogólnej zasady i nakładają się.

e. Zwartość.

Pomiędzy kodonami nie ma znaków interpunkcyjnych. Innymi słowy, trojaczki nie są oddzielone od siebie na przykład jednym nic nie znaczącym nukleotydem. Brak „znaków interpunkcyjnych” w kodzie genetycznym udowodniono w eksperymentach.

fa. Wszechstronność.

Kod jest taki sam dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bezpośrednie dowody na uniwersalność kodu genetycznego uzyskano porównując sekwencje DNA z odpowiednimi sekwencjami białkowymi. Okazało się, że we wszystkich genomach bakteryjnych i eukariotycznych stosuje się te same zestawy wartości kodów. Są wyjątki, ale nie wiele.

Pierwsze wyjątki od uniwersalności kodu genetycznego znaleziono w mitochondriach niektórych gatunków zwierząt. Dotyczyło to kodonu terminatora UGA, który odczytywano w taki sam sposób, jak kodon UGG kodujący aminokwas tryptofan. Stwierdzono inne, rzadsze odstępstwa od uniwersalności.

System kodu DNA.

Kod genetyczny DNA składa się z 64-nukleotydowych trypletów. Te trojaczki nazywane są kodonami. Każdy kodon koduje jeden z 20 aminokwasów wykorzystywanych w syntezie białek. Daje to pewną nadmiarowość w kodzie: większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon.
Jeden kodon pełni dwie powiązane ze sobą funkcje: sygnalizuje początek translacji i koduje włączenie aminokwasu metioniny (Met) do rosnącego łańcucha polipeptydowego. System kodowania DNA jest zaprojektowany w taki sposób, że kod genetyczny może być wyrażany jako kodony RNA lub kodony DNA. Kodony RNA znajdują się w RNA (mRNA) i te kodony są zdolne do odczytywania informacji podczas syntezy polipeptydów (proces zwany translacją). Ale każda cząsteczka mRNA uzyskuje sekwencję nukleotydów w transkrypcji z odpowiedniego genu.

Wszystkie aminokwasy oprócz dwóch (Met i Trp) mogą być kodowane przez 2 do 6 różnych kodonów. Jednak genom większości organizmów pokazuje, że niektóre kodony są preferowane nad innymi. Na przykład u ludzi alanina jest kodowana przez GCC cztery razy częściej niż GCG. Wskazuje to prawdopodobnie na większą wydajność translacji aparatu translacyjnego (np. rybosomu) dla niektórych kodonów.

Kod genetyczny jest prawie uniwersalny. Te same kodony są przypisane do tego samego miejsca aminokwasowego i te same sygnały startu i stopu w przeważającej mierze pokrywają się u zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Znaleziono jednak pewne wyjątki. Większość z nich obejmuje przypisanie jednego lub dwóch z trzech kodonów stop do aminokwasu.

FSBEI HPE "Penza State University"

Instytut Pedagogiczny im W.G. Bieliński

Katedra Biologii Ogólnej i Biochemii

Kurs pracy

w dyscyplinie „Biologia”

na temat „Kodowanie i implementacja informacji biologicznej w komórce, kod genetyczny i jego właściwości”

Penza 2014

Wprowadzenie

Ogólne właściwości materiału genetycznego i poziomy organizacji aparatu genetycznego

3. Właściwości genu

4.2 Kwas rybonukleinowy

6. Sposób zapisu informacji genetycznej w cząsteczce DNA. Kod biologiczny i jego właściwości

6.2 Replikacja cząsteczki DNA

6.4 Biosynteza białka w komórce

Wniosek

genetyczne białko biosyntezy dezoksyrybonukleinowej

Wprowadzenie

Przede wszystkim cała różnorodność życia jest determinowana przez różnorodne cząsteczki białek, które pełnią różne funkcje biologiczne w komórkach. Wyjątkowość każdej komórki polega na niepowtarzalności jej białek. Komórki pełniące różne funkcje, zdolne do syntezy własnych białek przy użyciu informacji zapisanych w cząsteczce DNA.

Eksperymenty z transformacją bakterii były jednym z dowodów na rolę DNA w przekazywaniu informacji dziedzicznych. F. Griffitha (1928).

Drugi dowód na rolę DNA w przekazywaniu informacji dziedzicznych uzyskali N. Tsinder i J. Lederberg. W 1952 roku opisali zjawisko transdukcji.

Dowodem na to, że kwasy nukleinowe, a nie białka, są nośnikami informacji genetycznej, były eksperymenty H. Frenkel-Konrath (1950). Tak więc wraz z odkryciem zjawisk transformacji, transdukcji i eksperymentami Frenkla-Konratha udowodniono, że kwasy rolnukleinowe przekazują informacje dziedziczne.

W 1941 roku G. Beadle i E. Tatum ustalili, że geny są odpowiedzialne za tworzenie enzymów, które poprzez metabolizm komórkowy wpływają na rozwój cech morfologicznych i fizjologicznych.

W 1951 roku E. Chargaff odkrył zjawisko komplementarnych zasad azotowych w cząsteczce DNA (reguły Chargaffa), wykazując, że ilość adeniny jest zawsze równa ilości tyminy, a ilość guaniny jest równa ilości cytozyny.

W 1953 J. Watson, F. Crick i M. Wilkins zaproponowali model budowy cząsteczki DNA, która jest podwójną helisą.

Tak więc na początku lat 50. udowodniono, że materialną jednostką dziedziczności i zmienności jest gen o określonej organizacji strukturalnej i funkcjonalnej. Podstawowe funkcje genów to przechowywanie i przekazywanie informacji genetycznej. Transfer informacji genetycznej zachodzi z DNA do DNA podczas replikacji DNA. Ten sposób przekazywania informacji z DNA do mRNA i białka F. Crick (1958) nazwał centralnym dogmatem biologii molekularnej.

W latach 60. dzięki pracom M. Nirenberga, S. Ochoa, H. Korany i innych dokonano pełnego rozszyfrowania kodu genetycznego, ustalono zgodność trójek nukleotydów w cząsteczkach kwasów nukleinowych z niektórymi aminokwasami.

W latach 70. Zaczęto aktywnie rozwijać metody inżynierii genetycznej, umożliwiające celową zmianę dziedzicznych właściwości żywych organizmów.

Pod koniec XX wieku, dzięki nowym technologiom genetyki molekularnej, stało się możliwe określenie sekwencji nukleotydów w cząsteczkach DNA genomów różnych organizmów (czytanie tekstów DNA). Teksty DNA ludzkiego genomu, reprezentowane przez łącznie 3 miliardy par zasad, zostały w większości przeczytane do 2001 roku. Naukowy i praktyczny kierunek biologii molekularnej, mający na celu określenie sekwencji nukleotydowych cząsteczek DNA, nazywa się genomiką.

1. Ogólne właściwości materiału genetycznego i poziomy organizacji aparatu genetycznego

Elementarną jednostką funkcjonalną aparatu genetycznego, która warunkuje możliwość rozwoju indywidualnej cechy komórki lub organizmu danego gatunku, jest gen (depozyt dziedziczny wg G. Mendla). Przeniesienie genów w ciągu pokoleń komórek lub organizmów osiągane jest przez ciągłość materialną - dziedziczenie cech rodzicielskich przez potomków.Cecha jest rozumiana jako jednostka odrębności morfologicznej, fizjologicznej, biochemicznej, immunologicznej, klinicznej i każdej innej odrębności organizmów (komórki), tj odrębną cechą lub właściwością, którą różnią się od siebie.

Większość z powyższych cech organizmów lub komórek należy do kategorii cech złożonych, których powstanie wymaga syntezy wielu substancji, przede wszystkim białek o specyficznych właściwościach enzymatycznych, immunoprotein strukturalnych, kurczliwych, transportowych i innych. Właściwości cząsteczki białka są określone przez sekwencję aminokwasową jej łańcucha polipeptydowego, która jest bezpośrednio określona przez sekwencję nukleotydów w DNA odpowiedniego genu i jest cechą elementarną lub prostą.

Główne właściwości genu jako funkcjonalnej jednostki aparatu genetycznego są określone przez jego organizację chemiczną.

2. Chemiczna organizacja genu

Badania mające na celu wyjaśnienie chemicznej natury materiału dziedzicznego niezbicie dowiodły, że materialnym podłożem dziedziczności i zmienności są kwasy nukleinowe, które odkrył F. Misher (1868) w jądrach komórek ropnych. Kwasy nukleinowe to makrocząsteczki, tj. mają dużą masę cząsteczkową. Są to polimery składające się z monomerów-nukleotydów, w tym trójskładnikowego: cukru (pentoza), fosforanu i zasady azotowej (puryny lub pirymidyny). Zasada azotowa (adenina, guanina, cytozyna, tymina lub uracyl) jest przyłączona do pierwszego atomu węgla w cząsteczce pentozy C-1 ", a fosforan jest przyłączony do piątego atomu węgla C-5" za pomocą wiązania eterowego ; trzeci atom węgla C-3 ”zawsze ma grupę hydroksylową-OH. Połączenie nukleotydów w makrocząsteczkę kwasu nukleinowego następuje przez interakcję fosforanu jednego nukleotydu z hydroksylem innego, tak że powstaje między nimi wiązanie fosfodiestrowe. W rezultacie powstaje łańcuch polinukleotydowy. Szkielet łańcucha składa się z naprzemiennych cząsteczek fosforanu i cukru. Jedna z powyższych zasad azotowych jest przyłączona do cząsteczek pentozy w pozycji C-1 ". Zespół łańcucha polinukleotydowego jest przeprowadzana przy udziale enzymu polimerazy, który zapewnia przyłączenie grupy fosforanowej kolejnego nukleotydu do grupy hydroksylowej w pozycji 3" poprzedniego nukleotydu. łańcuch występuje tylko na jednym końcu: gdzie w pozycji znajduje się wolny hydroksyl 3 ". Początek łańcucha zawsze zawiera grupę fosforanową w pozycji 5". Pozwala to na rozróżnienie w nim końców 5" i 3".

Wśród kwasów nukleinowych wyróżnia się dwa rodzaje związków: kwasy dezoksyrybonukleinowy (DNA) i rybonukleinowy (RNA). Badania składu głównych nosicieli materiału dziedzicznego, czyli chromosomów, wykazały, że ich najbardziej stabilnym chemicznie składnikiem jest DNA, które jest substratem dziedziczności i zmienności.

3. Właściwości genu

Geny charakteryzują się pewnymi właściwościami: specyficznością, integralnością i dyskretnością, stabilnością i labilnością, plejotropią, ekspresywnością i penetracją.Swoistość genu polega na tym, że każdy gen strukturalny ma tylko własną nieodłączną kolejność ułożenia nukleotydów i determinuje syntezę określonego polipeptydu , rRNA lub tRNA fakt, że podczas programowania syntezy polipeptydu działa on jako niepodzielna jednostka, której zmiana prowadzi do zmiany cząsteczki polipeptydu. Gen jako jednostka funkcjonalna jest niepodzielny, o odrębności genu decyduje obecność w nim podjednostek. Obecnie para komplementarnych nukleotydów jest uważana za minimalną podjednostkę strukturalną genu, a kodon za minimalną jednostkę funkcjonalną. Geny są stosunkowo stabilne i rzadko ulegają zmianom (mutują). Częstość spontanicznej mutacji jednego genu wynosi około 1 -10 -5 na pokolenie.

Zdolność genu do zmiany (mutacji) nazywa się labilnością.Geny z reguły mają działanie plejotropowe (wielokrotne), gdy jeden gen jest odpowiedzialny za manifestację kilku cech. Zjawisko to obserwuje się w szczególności w niektórych enzymopatiach, mnogich wrodzonych wadach rozwojowych, na przykład w zespole Marfana.

4. Struktura i funkcja DNA i RNA

Termin kwasy nukleinowe został zaproponowany przez niemieckiego chemika R. Altmanna w 1889 roku po odkryciu tych związków w 1868 roku. przez szwajcarskiego lekarza F. Mischera. Przez kilka tygodni ekstrahował komórki ropnego pneumokoka rozcieńczonym kwasem solnym, aw pozostałej części uzyskał prawie czysty materiał jądrowy, nazywając go nukleiną (z łac. jądro - jądro). Kwasy nukleinowe - DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy).

1 kwas dezoksyrybonukleinowy

Cząsteczki DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego) to największe biopolimery, ich monomer jest nukleotydem. Składa się z pozostałości trzech substancji: zasady azotowej, węglowodanu dezoksyrybozy i kwasu fosforowego. W tworzeniu cząsteczki DNA biorą udział cztery znane nukleotydy, różniące się między sobą zasadami azotowymi. Dwie zasady azotowe, cytozyna i tymina, są pochodnymi pirymidyny. Adenina i guanina zaliczane są do pochodnych puryn. Nazwa każdego nukleotydu odzwierciedla nazwę zasady azotowej. Istnieją nukleotydy: cytidyl (C), tymidyl (T), adenyl (A), guanyl (G). Połączenie nukleotydów w nici DNA następuje poprzez węglowodan jednego nukleotydu i resztę kwasu fosforowego sąsiedniego. Zgodnie z modelem DNA obie nici są skręcone razem wokół wspólnej osi. Dwie nici cząsteczki są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, które powstają między ich komplementarnymi zasadami azotowymi. Adenina jest komplementarna do tyminy, a guanina jest komplementarna do cytozyny.Istnieją dwa wiązania wodorowe między adeniną i tyminą, trzy są między guaniną i cytozyną.

DNA znajduje się w jądrze, gdzie wraz z białkami tworzy struktury liniowe – chromosomy. Chromosomy są wyraźnie widoczne podczas mikroskopii podczas podziału jądra; w interfazie są despiralizowane.

DNA znajduje się w mitochondriach i plastydach (chloroplastach i leukoplastach), gdzie ich cząsteczki tworzą koliste struktury. Kołowy DNA jest również obecny w komórkach organizmów przedjądrowych.

DNA jest zdolne do samoduplikacji (reduplikacji). Odbywa się to w pewnym okresie cyklu życia komórki, zwanym syntetycznym. Reduplikacja pozwala na zachowanie stałości struktury DNA. Jeśli pod wpływem różnych czynników w procesie replikacji w cząsteczce DNA zachodzą zmiany w liczbie, w sekwencji nukleotydów, to zachodzą mutacje.

Główną funkcją DNA jest przechowywanie informacji dziedzicznych zawartych w sekwencji nukleotydów tworzących jego cząsteczkę i przekazywanie tej informacji do komórek potomnych. Możliwość przenoszenia informacji dziedzicznych z komórki do komórki zapewnia zdolność chromosomów do dzielenia się na chromatydy z późniejszą reduplikacją cząsteczki DNA DNA zawiera wszystkie informacje o strukturze i aktywności komórek, cechach każdej komórki i organizmu jako całość. Ta informacja nazywa się genetyczną. Cząsteczka DNA koduje informację genetyczną sekwencji aminokwasów w cząsteczce białka. Przekazywanie i wdrażanie informacji odbywa się w komórce z udziałem kwasów rybonukleinowych.

2 kwas rybonukleinowy

Kwasy rybonukleinowe są kilku rodzajów. Istnieje rybosomalny, transportowy i informacyjny RNA. Nukleotyd RNA składa się z jednej z zasad azotowych (adeniny, guaniny, cytozyny i uracylu), węglowodanu – rybozy i reszty kwasu fosforowego. Cząsteczki RNA są jednoniciowe.

Rybosomalny RNA (r-RNA) w połączeniu z białkiem jest częścią rybosomu.R-RNA stanowi 80% całego RNA w komórce. Synteza białek odbywa się na rybosomach Informacyjny RNA (i-RNA) stanowi od 1 do 10% całkowitego RNA w komórce W strukturze i-RNA jest komplementarny do części cząsteczki DNA, która niesie informacje o syntezie pewnego białka. Długość i-RNA zależy od długości segmentu DNA, z którego odczytano informację. I-RNA przenosi informacje o syntezie białek z jądra do cytoplazmy.

Transportowy RNA (t-RNA) stanowi około 10% całego RNA. Ma krótki łańcuch nukleotydów i znajduje się w cytoplazmie. T-RNA przyłącza pewne aminokwasy i doprowadza je do miejsca syntezy białek do rybosomów. T-RNA ma kształt koniczyny. Na jednym końcu znajduje się triplet nukleotydów (antykodon) kodujący określony aminokwas. Na drugim końcu znajduje się trójka nukleotydów, do których przyłączony jest aminokwas.Kiedy trójka t-RNA (antykodon) i trójka i-RNA (kodon) są komplementarne, aminokwas zajmuje określone miejsce w białku cząsteczka.

RNA znajduje się w jąderku, cytoplazmie, rybosomach, mitochondriach i plastydach.

W naturze jest inny rodzaj RNA. To jest wirusowe RNA. W przypadku niektórych wirusów pełni funkcję przechowywania i przesyłania informacji dziedzicznych. W innych wirusach tę funkcję pełni wirusowy DNA.

5. Dowody na genetyczną rolę kwasów nukleinowych

Eksperymenty Fredericka Griffitha 1928 Wiadomo, że bakteria Pneutnococcus pneumoniae ma kilka postaci. Zjadliwość bakterii jest określana przez obecność otoczki mukopolisacharydowej znajdującej się na powierzchni komórki. Kapsułka ta chroni bakterię przed działaniem organizmu gospodarza. W rezultacie namnożone bakterie zabijają zakażone zwierzę. Bakterie tego szczepu (szczep S) tworzą gładkie kolonie. Awirulentne formy bakterii nie posiadają otoczki ochronnej i tworzą szorstkie kolonie (szczep R). Mikrobiolog Frederick Griffiths wstrzyknął myszom żywy szczep pneumokoków R wraz ze szczepem S zabitym wysoką temperaturą (65°C) w 1928 roku. Po pewnym czasie udało mu się wyizolować żywe pneumokoki za pomocą kapsułki z zakażonych myszy. Tak więc okazało się, że właściwość zabitego pneumokoka - zdolność do tworzenia kapsułki - przeszła na żywą bakterię, tj. nastąpiła przemiana. Ponieważ znak obecności torebki jest dziedziczny, należy założyć, że pewna część substancji dziedzicznej z bakterii szczepu S przeszła do komórek R.

W 1944 roku O.T. Avery, KM. McLeod i M. McCarthy wykazali, że ta sama transformacja typów pneumokoków może zachodzić w probówce, tj. invitro. Badacze ci ustalili istnienie specjalnej substancji – „zasady przekształcającej” – ekstraktu z komórek szczepu S wzbogaconego DNA. Jak się później okazało, DNA wyizolowane z komórek szczepu S i dodane do hodowli szczepu R przekształciło część komórek w formę S. Komórki stale przekazywały tę właściwość podczas dalszej reprodukcji. Traktowanie „czynnika transformującego” DNazą, enzymem degradującym DNA, blokowało transformację. Dane te po raz pierwszy pokazały, że to DNA, a nie białko, jak dotąd sądzono, jest materiałem dziedzicznym.

d. Eksperyment Alfreda Hersheya i Marthy Chase Jak wiadomo, fag T2 to wirus, który infekuje bakterię E. coli. Cząsteczki faga są absorbowane na zewnętrznej powierzchni komórki, ich materiał wnika do środka i po około 20 minutach bakteria ulega lizie, uwalniając dużą liczbę cząstek faga - potomstwa. W 1952 roku Alfred Hershey i Martha Chase zainfekowali bakterie fagami T2, które znakowano radioaktywnymi związkami: DNA z 32P. Część białkowa faga to 35S. Po zakażeniu bakterii fagami, metodą wirowania, wyizolowano dwie frakcje: puste błony białkowe faga oraz bakterie zakażone fagowym DNA. Okazało się, że 80% znacznika 35S pozostało w pustych błonach fagowych, a 70% znacznika 32P pozostało w zakażonych bakteriach. Fagi potomne otrzymały tylko około 1% oryginalnego białka znakowanego 35S, ale znalazły również około 30% znacznika 32P. Wyniki tego eksperymentu bezpośrednio wykazały, że DNA fagów rodzicielskich przenika do bakterii, a następnie staje się składnikiem opracowanych nowych cząstek fagowych.

d. Eksperymenty Frenkla - Konrat Frenkel-Konrat pracował z wirusem mozaiki tytoniu (TMV). Ten wirus zawiera RNA, a nie DNA. Wiadomo było, że różne szczepy wirusa powodują różne wzory uszkodzeń liści tytoniu. Po zmianie płaszcza białkowego „zamaskowane” wirusy powodowały wzór zmian charakterystyczny dla szczepu, którego RNA był opłaszczony obcym białkiem.

W związku z tym nie tylko DNA, ale także RNA może służyć jako nośnik informacji genetycznej. Dziś istnieją setki tysięcy dowodów na genetyczną rolę kwasów nukleinowych. Te trzy są klasyczne.

6. Sposób zapisu informacji genetycznej w cząsteczce DNA Kod biologiczny i jego właściwości

1 Poziomy pakowania materiału genetycznego

Podwójna helisa cząsteczki DNA łączy się z białkami histonowymi i histonowymi, tworząc włókienka nukleoproteinowe. Długość tych włókienek w diploidalnym zestawie ludzkich chromosomów wynosi około 2 m, a łączna długość wszystkich chromosomów w metafazie wynosi około 150 μm. Ogólnie przyjmuje się, że każda chromatyda chromosomu zawiera jedną ciągłą cząsteczkę DNA. Upakowanie materiału genetycznego uzyskuje się poprzez spiralę (kondensację) włókienek.

Pierwszy poziom pakowania to nukleosom DNA. Nukleosom to cylinder (oktamer) o średnicy 11 nm i wysokości 6 nm, zawierający po dwie cząsteczki każdego z czterech histonów (H2A, H2B, H3, H4), wokół którego tworzy się podwójna helisa DNA około dwóch zwojów i przechodzi do następnego cylindra. Długość fragmentu rany DNA wynosi około 60 nm (około 200 par zasad). Utworzona w ten sposób nić nukleosomu ma średnicę około 13 nm. Długość cząsteczki DNA zmniejsza się 5-7 razy. Nukleosomalny poziom upakowania jest wykrywany pod mikroskopem elektronowym w interfazie i podczas mitozy.

Drugi poziom upakowania to solenoid (supernukleosom). Nić nukleosomalna ulega kondensacji, jej nukleosomy są ze sobą zszyte. histon HI i składa się z helisy o średnicy około 25 nm. Jeden obrót helisy zawiera 6-10 nukleosomów. W ten sposób uzyskuje się 6-krotne skrócenie nici. Supernukleosomalny poziom upakowania znajduje się w mikroskopie elektronowym zarówno w chromosomach interfazowych, jak i mitotycznych.

Trzeci poziom upakowania to chromatyda (pętla) Supernukleosomalne włókno zwija się, tworząc pętle i zagięcia. Stanowi podstawę chromatydy i zapewnia poziom upakowania chromatyd. Pojawia się w profazie. Średnica pętli wynosi około 50 nm, nić DNP (DNA + białko) jest skrócona 10-20 razy.

Czwarty poziom upakowania to poziom chromosomu metafazowego. Chromatydy w metafazie są nadal zdolne do spiralizacji z tworzeniem się regionów euchromatyny (słabo spiralnie) i heterochromatyny (silnie spirali); jest 20-krotne skrócenie. Chromosomy metafazowe mają od 0,2 do 150 μm długości i 0,2 do 5,0 μm średnicy. Ogólnym wynikiem kondensacji jest 10 000-krotne skrócenie nici DNA.

Chromosomy komórek prokariotycznych to koliste cząsteczki DNA zawierające około 5-106 par zasad i tworzące kompleksy z białkami niehistonowymi. Stosując specjalne metody niszczenia prokariontów, można stwierdzić, że ich DNA składa się w kulki o rozmiarach zbliżonych do nukleosomów eukariontów. Kulki te są bardzo labilne, co wskazuje na niewielką interakcję między DNA a białkami.

Natura kondensacji chromosomu prokariontów nie jest do końca poznana, ale generalnie można ją wyizolować w postaci zwartej struktury zwanej nukleoidem. Komórki prokariotyczne (bakterie) zawierają również koliste dwuniciowe cząsteczki DNA, składające się z kilku tysięcy par zasad, które mogą wymieniać z innymi bakteriami. Te autonomiczne elementy plazmidu genetycznego są zdolne do replikacji niezależnie od replikacji nukleoidów. Większość plazmidów zawiera geny oporności na czynniki przeciwbakteryjne. Cząsteczki DNA w kształcie pierścienia znajdują się również w komórkach eukariotycznych w samoreplikujących się organellach (mitochondriach, plastydach). Cząsteczki te są małe i kodują niewielką liczbę białek potrzebnych do autonomicznych funkcji organelli. Organoidalne DNA nie jest związane z histonami.

6.2 Replikacja cząsteczki DNA

Replikacja cząsteczek DNA zachodzi podczas syntetycznego okresu interfazy. Każdy z dwóch łańcuchów cząsteczki rodzicielskiej służy jako matryca do syntezy nowego łańcucha zgodnie z zasadą komplementarności. Po replikacji cząsteczka DNA zawiera jeden łańcuch matczyny i jeden nowo zsyntetyzowany łańcuch potomny (synteza DNA jest częściowo konserwatywna). Ponieważ dwa komplementarne łańcuchy w cząsteczce DNA są skierowane w przeciwnych kierunkach, a polimeraza DNA może poruszać się wzdłuż łańcuchów matrycy tylko od końca 5 „do końca 3”, synteza nowych łańcuchów przebiega antyrównolegle (zasada antyrównoległości). że stara cząsteczka jest rozwinięta i rozciągnięta. Ale jednoczesne rozwijanie spiral składających się z ogromnej liczby par nukleotydów (kilka milionów) jest niemożliwe. Dlatego replikacja rozpoczyna się w kilku miejscach w cząsteczce DNA. Odcinek cząsteczki DNA od miejsca pochodzenia jednej replikacji do miejsca pochodzenia drugiej nazywany jest replikonem. Chromosom bakteryjny zawiera jeden replikon. Chromosom eukariotyczny zawiera wiele replikonów, w których duplikacja cząsteczki DNA zachodzi jednocześnie. Replikon z konieczności posiada elementy sterujące: punkt początkowy, w którym replikacja jest inicjowana, oraz punkt końcowy, w którym replikacja się zatrzymuje. Miejsce, w którym odbywa się replikacja, nazywa się widelcem replikacyjnym. Widełki replikacyjne poruszają się wzdłuż cząsteczki DNA od jej punktu początkowego (punktu początkowego) do punktu końcowego. Ponieważ polimeraza DNA może poruszać się tylko w jednym kierunku (5 "-3"), w każdym widelcu replikacyjnym może stopniowo i w sposób ciągły budować tylko jedną nową nić cząsteczki DNA. Kolejna potomna cząsteczka DNA jest syntetyzowana w oddzielnych krótkich odcinkach 150-200 nukleotydów (fragmenty Okazaki) pod wpływem polimerazy DNA poruszającej się w przeciwnym kierunku. Te krótkie odcinki nowo zsyntetyzowanego łańcucha polinukleotydowego jednego replikonu są połączone ze sobą ligazą enzymatyczną. Ta zasada syntezy nowych nici DNA nazywana jest przerywaną. Działki filii. Cząsteczki DNA syntetyzowane w sąsiednich replikonach są również ligowane przez ligazę enzymatyczną. Cały genom komórki jest replikowany tylko raz w okresie czasu odpowiadającym jednemu cyklowi mitotycznemu.

6.3 Kod genetyczny i jego właściwości

Strukturę białek określa zestaw i kolejność ułożenia aminokwasów w ich łańcuchach peptydowych. To właśnie ta sekwencja aminokwasów w peptydach jest kodowana w cząsteczkach DNA za pomocą kodu biologicznego (genetycznego). Względna prymitywność struktury DNA, reprezentująca naprzemienność tylko czterech różnych nukleotydów, przez długi czas uniemożliwiała badaczom traktowanie tego związku jako materialnego podłoża dziedziczności i zmienności, w którym muszą być zaszyfrowane niezwykle różnorodne informacje.

Całkowite rozszyfrowanie kodu genetycznego przeprowadzono w latach 60-tych. nasz wiek. Spośród 64 możliwych trójek DNA 61 koduje różne aminokwasy; pozostałe 3 nazywane są bezsensownymi lub nonsensownymi trojaczkami. Nie szyfrują aminokwasów i służą jako znaki interpunkcyjne podczas czytania informacji dochodzeniowych. Należą do nich ATT, ATCT, ATC. Zwraca się uwagę na oczywistą redundancję kodu, która objawia się tym, że wiele aminokwasów jest zaszyfrowanych kilkoma tripletami. Ta właściwość kodu trypletowego, zwana degeneracją, jest bardzo ważna, ponieważ pojawienie się zmian w strukturze cząsteczki DNA przez rodzaj zastąpienia jednego nukleotydu w łańcuchu polinukleotydowym może nie zmieniać znaczenia trypletu. Powstała nowa kombinacja trzech nukleotydów koduje ten sam aminokwas.

W trakcie badania właściwości kodu genetycznego odkryto jego specyfikę. Każdy tryplet jest w stanie zakodować tylko jeden określony aminokwas. Ciekawostką jest pełna zgodność kodu w różnych typach organizmów żywych. Taka uniwersalność kodu genetycznego świadczy o jedności powstania całej różnorodności form żywych na Ziemi w procesie ewolucji biologicznej. Niewielkie różnice w kodzie genetycznym występują w DNA mitochondriów niektórych gatunków. Nie stoi to w sprzeczności z ogólnym stwierdzeniem o uniwersalności kodeksu, ale świadczy o pewnej rozbieżności jego ewolucji we wczesnych stadiach życia.

Rozszyfrowanie kodu w DNA mitochondriów różnych gatunków pokazało, że we wszystkich przypadkach w mitochondrialnym DNA odnotowuje się wspólną cechę: tryplet ACT jest odczytywany jako ACC, a zatem z nonsensownej tryplety zamienia się w kod aminokwasowy tryptofanu. jego ciągłość i nienakładające się kodony podczas czytania. Oznacza to, że sekwencja nukleotydów jest odczytywana trójka po trójce bez przerw, podczas gdy sąsiednie trójki nie nakładają się, tj. każdy pojedynczy nukleotyd jest zawarty tylko w jednym tryplecie w danej ramce odczytu. Dowodem na brak nakładania się kodu genetycznego jest zastąpienie tylko jednego aminokwasu w peptydzie przy jednoczesnym zastąpieniu jednego nukleotydu w DNA. Jeśli nukleotyd jest zawarty w kilku nakładających się trójkach, jego zastąpienie pociąga za sobą zastąpienie 2–3 aminokwasów w łańcuchu peptydowym.

Zatem kod genetyczny nie jest przypadkowym konglomeratem korespondencji między kodonami a aminokwasami, ale wysoce zorganizowanym systemem korespondencji wspieranym przez złożone mechanizmy molekularne.

4 Biosynteza białka w komórce

Mediatorem w przekazywaniu informacji genetycznej (porządku nukleotydów) z DNA do białka jest mRNA (informacyjny RNA). Jest syntetyzowany w jądrze przez jedną z nici DNA zgodnie z zasadą komplementarności po zerwaniu wiązań wodorowych między dwiema nićmi (enzym polimerazy RNA). Proces transkrypcji informacji z DNA na mRNA nazywa się transkrypcją. Zsyntetyzowany w ten sposób mRNA (synteza macierzy) jest uwalniany przez pory jądra do cytoplazmy i oddziałuje z małą podjednostką jednego lub więcej rybosomów. Rybosomy połączone jedną cząsteczką mRNA nazywane są polisomami. Te same cząsteczki białka są syntetyzowane na każdym rybosomie polisomu.

Kolejnym etapem biosyntezy białka jest translacja, translacja sekwencji nukleotydowej w cząsteczce mRNA na sekwencję aminokwasową w łańcuchu polipeptydowym. Transportowe RNA (tRNA) dostarczają aminokwasy do rybosomu. Cząsteczka tRNA jest podobna w konfiguracji do liścia koniczyny i ma dwa aktywne centra. Na jednym końcu cząsteczki znajduje się trójka wolnych nukleotydów, która nazywana jest antykodonem i odpowiada określonemu aminokwasowi. Ponieważ wiele aminokwasów jest kodowanych przez kilka trypletów, liczba różnych tRNA jest znacznie większa niż 20 (60 zidentyfikowanych). Drugie miejsce aktywne to miejsce przeciwne do antykodonu, do którego przyłączony jest aminokwas. Na końcu 5" cząsteczki tRNA zawsze znajduje się guanina, a na końcu 3" CCA. Każdy aminokwas wiąże się z jednym ze swoich specyficznych tRNA przy udziale specjalnej formy enzymu syntetazy aminoacylo-tRNA i ATP. W efekcie powstaje kompleks aminokwasu strRNA-aminoacylo-tRNA, w którym energia wiązania pomiędzy końcowym nukleotydem A (w triplecie CCA) a aminokwasem jest wystarczająca do utworzenia w przyszłości wiązania peptydowego . Aminokwasy są transportowane do dużej podjednostki rybosomów. W danym momencie wewnątrz rybosomu znajdują się dwa kodony i RNA: jeden znajduje się naprzeciwko centrum tivaminoacylowego, drugi znajduje się naprzeciwko centrum peptydylowego. Jeśli antykodon tRNA i centrum kodonaminoacylowe są komplementarne, wtedy aminokwas tRNAi jest przenoszony do centrum peptydylowego (rybosom porusza się o jeden tryplet), aminokwas jest odłączany od tRNA i przyłącza się do poprzedniego aminokwasu, a tRNA opuszcza rybosom dla następnego aminokwasu. To samo dzieje się z drugim tRNA i jego aminokwasem. W ten sposób cząsteczka polipeptydu jest składana w pełnej zgodności z informacjami zapisanymi na mRNA. W procesie translacji występują trzy etapy: inicjacja, elongacja i zakończenie. Inicjacja (początek translacji) polega na związaniu rybosomu siRNA, dla którego na początku cząsteczki mRNA znajduje się specjalny kodon inicjacyjny (AUG) oraz specyficzna sekwencja nukleotydów odpowiedzialna za wiązanie z rybosomem. Elongacja (proces translacji) obejmuje reakcje od utworzenia pierwszego wiązania peptydowego do przyłączenia ostatniego aminokwasu do cząsteczki polipeptydu. W tym czasie rybosom przemieszcza się od pierwszego do ostatniego kodonu do mRNA. Terminacja (koniec translacji) wynika z obecności kodonów terminacji (UAA, UAH, U GA), które zatrzymują syntezę białek; następuje oddzielenie rybosomu od mRNA. Regulacja syntezy białek u eukariontów może odbywać się na poziomie transkrypcji i translacji. Funkcję regulacyjną pełnią białka chromosomalne (histony). Ich cząsteczki są naładowane dodatnio i łatwo wiążą się z ujemnie naładowanymi fosforanami, wpływając na transkrypcję niektórych genów za pomocą polimerazy RNA zależnej od DNA. Modyfikacje histonów (fosforylacja, acetylacja, metylacja) osłabiają ich wiązanie z DNA i ułatwiają transkrypcję. Kwasowe białka niehistonowe, wiążąc się z pewnymi regionami DNA, również ułatwiają transkrypcję. Regulują również transkrypcję i jądrowe RNA o niskiej masie cząsteczkowej, które są w kompleksie z białkami i mogą selektywnie włączać geny. Różne sterydy anaboliczne, insulina, prekursory nukleotydów i kwasów nukleinowych (inozyna, orotan potasu) wspomagają syntezę białek. Inhibitorami syntezy białek są antybiotyki (ryfamycyny, oliwomycyna), niektóre leki przeciwnowotworowe (winblastyna, winkrystyna, 5-fluorouracyl), modyfikowane zasady azotowe i nukleozydy.

W warunkach laboratoryjnych synteza białek wymaga ogromnej ilości czasu, wysiłku i pieniędzy. W komórce w ciągu kilku sekund dokonuje się synteza cząsteczek białka składających się z setek lub więcej aminokwasów. Wynika to przede wszystkim z zasady matrycy syntezy kwasów nukleinowych i białek, która zapewnia dokładną sekwencję jednostek monomerowych w syntetyzowanych polimerach. Gdyby takie reakcje zachodziły w wyniku przypadkowego zderzenia cząsteczek, postępowałyby nieskończenie wolno. Enzymy mają znaczący wpływ na szybkość i dokładność wszystkich reakcji syntezy białek. Przy udziale specjalnych enzymów zachodzi synteza DNA, i-RNA, łączenie aminokwasów z tRNA itp. Proces syntezy białek wymaga również dużej ilości energii. Tak więc do połączenia każdego aminokwasu z t-RNA zużywana jest energia jednej cząsteczki ATP. Można sobie wyobrazić, ile cząsteczek ATP jest rozszczepianych podczas syntezy średniej wielkości białka składającego się z kilkuset aminokwasów.

Wniosek

Biologiczne właściwości materii żywej są określane przez połączone właściwości jej składowej materii bioorganicznej, energii chemicznej i informacji molekularnej. Pod tym względem żywa materia podlega nie tylko wszystkim znanym prawom fizycznym i chemicznym, ale także prawom informacyjnym. Oczywiste jest, że materia bioorganiczna jest materialną podstawą budowy każdego żywego systemu. Ponadto makrocząsteczki i struktury biologiczne działają również jako nośnik informacji molekularnej, dlatego informacja w strukturze żywej istoty ma formę zapisu chemicznego. Ze względu na przetwarzanie i obieg informacji dziedzicznych w procesie życia prowadzona jest kontrola i regulacja procesów biochemicznych i molekularnych, zmniejsza się entropia (dezorganizacja) systemu żywego. Tylko zasoby i wzorce informacyjne pozwalają materii, energii i informacji w żywym systemie krążyć, odnawiać, reprodukować i tworzyć nowe rzeczywistości biologiczne. Samorządność i wymiana informacji to najistotniejsze cechy funkcjonowania systemów żywych. Dlatego w każdej żywej komórce zjawiska kodowania, przechowywania, rekodowania, przekazywania, przetwarzania i wykorzystywania informacji genetycznej mają kluczowe znaczenie dla wszystkich procesów biologicznych.

W oparciu o osiągnięcia biologii molekularnej, biochemii i genetyki, w ostatnich dziesięcioleciach intensywnie rozwija się nowy kierunek w genetyce, inżynierii genetycznej, którego celem jest konstruowanie struktur genetycznych zgodnie z zaplanowanym planem, tworzenie organizmów o nowy program genetyczny poprzez przeniesienie informacji genetycznej z jednego organizmu do drugiego.

Inżynieria genetyczna sięga 1973 roku, kiedy genetycy Stanley Cohen i Herbert Boyer wprowadzili nowy gen do bakterii E. coli.

Od 1982 roku firmy w USA, Japonii, Wielkiej Brytanii i innych krajach produkują genetycznie modyfikowaną insulinę. Sklonowane geny ludzkiej insuliny zostały wprowadzone do komórki bakteryjnej, gdzie rozpoczęła się synteza hormonu, którego naturalne szczepy drobnoustrojów nigdy nie zsyntetyzowały.

Około 200 nowych leków diagnostycznych zostało już wprowadzonych do praktyki medycznej, a ponad 100 leków genetycznie modyfikowanych znajduje się na etapie badań klinicznych. Wśród nich są leki, które leczą artrozę, choroby sercowo-naczyniowe, niektóre procesy nowotworowe, a być może nawet AIDS. Spośród kilkuset firm inżynierii genetycznej 60% pracuje nad produkcją leków i produktów diagnostycznych.

W 1990 roku w Stanach Zjednoczonych uruchomiono Human Genome Project, którego celem było określenie całego roku genetycznego osoby. Projekt, w którym ważną rolę odegrali również rosyjscy genetycy, zakończył się w 2003 roku. W wyniku projektu określono 99% genomu z dokładnością do 99,99% (1 błąd na 10 000 nukleotydów). Ukończenie projektu przyniosło już praktyczne rezultaty, takie jak łatwe w użyciu testy, które mogą określić predyspozycje genetyczne do wielu chorób dziedzicznych.

Od lat 90. setki laboratoriów badało zastosowanie terapii genowej w leczeniu chorób. Teraz wiemy, że terapia genowa może leczyć cukrzycę, anemię, niektóre nowotwory, chorobę Huntingtona, a nawet oczyszczać tętnice. Trwa ponad 500 badań klinicznych różnych rodzajów terapii genowej.

Niekorzystna sytuacja środowiskowa i szereg innych podobnych przyczyn powoduje, że coraz więcej dzieci rodzi się z poważnymi wadami dziedzicznymi. Obecnie znanych jest 4000 chorób dziedzicznych, w przypadku których większości nie znaleziono skutecznego leczenia.

Obecnie możliwe jest zdiagnozowanie wielu chorób genetycznych na etapie zarodka lub zarodka. Jak dotąd możliwe jest przerwanie ciąży na bardzo wczesnym etapie tylko w przypadku poważnych wad genetycznych, ale już niedługo możliwa będzie korekta kodu genetycznego poprzez korektę i optymalizację genotypu nienarodzonego dziecka. Pozwoli to całkowicie uniknąć chorób genetycznych i poprawi fizyczne, psychiczne i psychiczne cechy dzieci.

Na tej podstawie istnieją przekonujące podstawy, by sądzić, że ogólne prawa i zasady kodowania informacji stały się nie tylko podstawowymi fundamentami Życia, ale zostały następnie na nowo odkryte przez człowieka i rozpowszechnione w wielu dziedzinach ludzkiej działalności.

Lista wykorzystanych źródeł informacji

1.Ayala F., Keiger J. Współczesna genetyka. Moskwa: Mir, 1988.t. 3.

2. Inżynieria genetyczna. Artykuł. rosja.ru/treść/widok/38/36/

Szyja Ministerstwa Obrony FR. Biologia. Podręcznik. 1t. GEOTAR-Media (2013) 1290.

4. Zayats R.G., Rachkovskaya I.V. Podstawy Genetyki Ogólnej i Medycznej. Mińsk: WSz, 1998.

5.Kalashnikov Yu.Ya., Zarządzanie informacją o procesach komórkowych .

6. Petukhov V.L., Korotkevich O.S., Stambekov S.Zh. Genetyka. nauka. podręcznik dla studentów wyższych. nauka. Instytucje Nowosybirsk: SemGPI, 2007.628 s.

7. Polikarpova V.A. Inżynieria genetyczna a problemy człowieka. Akademia Humanistyczna, wydawnictwo TRTU, 1999. - 88 s.

8.Spiryna A.S. Biologia molekularna. M.: Wyższe. szk. 1990.352 s.

Chebyshev N.V., Grineva G.G., Kozar M.V., Gulenkov S.I. Biology (podręcznik). - M .: VUNMTs, 2000.

Yarygin V.N., V.I. Wasiliewa, I.N. Wołkow, W.W. Sinelicykov. Biologia. Książka. 1: Podręcznik. dla kobiet. specjalista. Uniwersytety 2003.

Korepetycje

Potrzebujesz pomocy w zgłębianiu tematu?

Nasi eksperci doradzą lub zapewnią korepetycje z interesujących Cię tematów.
Wyślij zapytanie ze wskazaniem tematu już teraz, aby dowiedzieć się o możliwości uzyskania konsultacji.

Istnieją trzy główne różnice między cząsteczkami DNA i RNA.

DNA zawiera dezoksyrybozę cukrową, RNA – rybozę.

W cząsteczce DNA nukleotydem komplementarnym (odpowiadającym) adeninie jest tymina, aw cząsteczce RNA uracyl.

DNA ma postać podwójnej helisy, RNA jest pojedyncze. RNA jest na ogół krótszy.

6. Kod genetyczny Co to jest kod

Kod to reguła, która każdej konkretnej wiadomości przypisuje ściśle określoną kombinację znaków.

Najłatwiej to pokazać słowem. Na przykład pojęcie mieszkania dla jednej osoby lub grupy osób jest kodowane słowem składającym się z trzech liter - „dom”.

Zakodowane informacje można łatwo przechowywać, przetwarzać, kopiować, przesyłać.

Kod genetyczny

Informacja o sekwencji aminokwasowej w białku jest zakodowana przy użyciu języka nukleotydów. Język ten ma cztery litery - cztery zasady azotowe - adenina, tymina, guanina i cytozyna. Z ich pomocą należy wymienić 20 aminokwasów. Jeśli użyjemy słów składających się tylko z jednej litery, możemy utworzyć tylko cztery słowa - A, T, G i Ts. 4 = 4 1. To oczywiście nie wystarczy. Jeśli nasze słowa składają się z dwóch liter, będziemy mogli utworzyć 16 słów: AT, AG, GC itd. 16 = 4 2. Te słowa też nie wystarczą. Ale jeśli użyjesz słów składających się z trzech liter, otrzymasz 4 3 = 64 słowa. Wystarczą do nazwania 20 aminokwasów. Okazuje się nawet, że można im nadać dwa lub więcej imion. Na przykład to samo zwierzę ma dwie nazwy - „hipopotam” i „hipopotam”.

Georgy Antonovich Gamov, autor teorii Wielkiego Wybuchu, domyślił się, że 20 aminokwasów może być kodowanych przez nukleotydy połączone w trojaczki.

Każdy tryplet nukleotydów kodujących jeden aminokwas nazywany jest kodonem lub trypletem.

Kodon (tryplet) to tryplet nukleotydów, który koduje aminokwas.

„Słownik” do tłumaczenia z języka nukleotydów na język aminokwasów nazywa się kodem genetycznym.

Kod genetyczny - tabela zgodności kodonów z aminokwasami.

Powstał w latach 60. XX wieku.

Niektóre właściwości kodu genetycznego

1. Każdy aminokwas jest kodowany przez więcej niż jeden kodon (2 do 6 kodonów na aminokwas).

2. Każdy kodon odpowiada tylko jednemu aminokwasowi.

Jak informacja jest zakodowana w cząsteczce DNA

W cząsteczce DNA każda nić jest sekwencją nukleotydów. Łatwiej sobie wyobrazić, że jest to specyficzna sekwencja zasad azotowych – poprzeczek między nićmi DNA. Ale jest to również pewna sekwencja poprzeczek podzielonych na trzy, tj. kodony. Co więcej, jeśli zasady azotowe jednego łańcucha DNA, połączone wiązaniami wodorowymi z zasadami azotowymi drugiego łańcucha, są komplementarne - odpowiadają sobie, to zasady azotowe, podzielone na trójki, będą również komplementarne. kodony. Kodon komplementarny do innego kodonu nazywa się antykodonem. Na przykład AGA jest uzupełnieniem TCT.

Tak więc na każdym łańcuchu cząsteczki DNA znajduje się określona sekwencja kodonów. Ale każdy kodon odpowiada tylko jednemu aminokwasowi. Dlatego sekwencja kodonów na jednej z nici DNA jednoznacznie określa sekwencję aminokwasową. Dlatego wykorzystując sekwencję kodonów znajdujących się w łańcuchu DNA można zakodować sekwencję aminokwasową w cząsteczce białka, czyli inaczej mówiąc jego strukturę. Ta sekwencja kodonów jest genem.

Gen to fragment cząsteczki DNA, który służy jako matryca do syntezy jednego białka.

Pod kodem genetycznym zwyczajowo rozumie się taki system znaków oznaczający sekwencyjne ułożenie związków nukleotydowych w DNA i RNA, który odpowiada innemu systemowi znaków, który wyświetla sekwencję związków aminokwasowych w cząsteczce białka.

To jest ważne!

Kiedy naukowcom udało się zbadać właściwości kodu genetycznego, uniwersalność uznano za jedną z głównych. Tak, jakkolwiek dziwnie to zabrzmi, wszystko łączy jeden, uniwersalny, wspólny kod genetyczny. Powstawał przez długi czas, a proces zakończył się około 3,5 miliarda lat temu. W konsekwencji w strukturze kodu można prześledzić ślady jego ewolucji, od momentu jego powstania do dnia dzisiejszego.

Mówiąc o kolejności ułożenia elementów w kodzie genetycznym, mamy na myśli, że nie jest on chaotyczny, ale ma ściśle określony porządek. A to również w dużej mierze determinuje właściwości kodu genetycznego. Odpowiada to układowi liter i sylab w słowach. Warto przełamać utartą kolejność, a większość tego, co czytamy na kartach książek czy gazet, zamieni się w śmieszny bełkot.

Podstawowe właściwości kodu genetycznego

Zazwyczaj kod przenosi pewne informacje zaszyfrowane w specjalny sposób. Aby odszyfrować kod, musisz znać charakterystyczne cechy.

Tak więc główne właściwości kodu genetycznego to:

• trojaczki;
• degeneracja lub redundancja;
• jednoznaczność;
• ciągłość;
• wspomnianą już powszechność.

Przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo każdej nieruchomości.

1. Trójka

Dzieje się tak, gdy trzy związki nukleotydów tworzą sekwencyjny łańcuch w cząsteczce (tj. DNA lub RNA). W efekcie powstaje związek tripletowy lub koduje jeden z aminokwasów, jego położenie w łańcuchu peptydowym.

Rozróżnij kodony (są to również słowa kodowe!) Na podstawie ich sekwencji połączeń i rodzaju tych związków azotowych (nukleotydów), które są ich częścią.

W genetyce zwyczajowo rozróżnia się 64 typy kodonów. Mogą tworzyć kombinacje czterech rodzajów nukleotydów, po 3 w każdym. Jest to równoznaczne z podniesieniem liczby 4 do trzeciej potęgi. W ten sposób możliwe jest tworzenie kombinacji 64 nukleotydów.

2. Redundancja kodu genetycznego

Tę właściwość można prześledzić, gdy do zaszyfrowania jednego aminokwasu wymaganych jest kilka kodonów, zwykle w zakresie 2-6. I tylko tryptofan może być zakodowany przez pojedynczą trójkę.

3. Jednoznaczność

Jest zawarty we właściwościach kodu genetycznego jako wskaźnik zdrowego dziedziczenia genetycznego. Na przykład trójka GAA, która znajduje się na szóstym miejscu w łańcuchu, może informować lekarzy o dobrym stanie krwi, o normalnej hemoglobinie. To on niesie informacje o hemoglobinie, a także jest przez nią kodowana.A jeśli dana osoba jest chora na anemię, jeden z nukleotydów zostaje zastąpiony inną literą kodu - Y, która jest sygnałem choroby.

4. Ciągłość

Rejestrując tę ​​właściwość kodu genetycznego, należy pamiętać, że kodony, jako ogniwa łańcucha, nie znajdują się na odległość, ale w bezpośredniej bliskości, jeden po drugim w łańcuchu kwasu nukleinowego, a łańcuch ten nie jest przerywany - istnieje nie ma w nim początku ani końca.

5. Wszechstronność

Nigdy nie należy zapominać, że wszystko na Ziemi łączy wspólny kod genetyczny. A zatem u naczelnych i człowieka, u owada i ptaka, stuletniego baobabu i źdźbła trawy ledwie wykluwającego się z ziemi, podobne aminokwasy są kodowane przez te same trojaczki.

To w genach zawarte są podstawowe informacje o właściwościach organizmu, rodzaj programu, który organizm dziedziczy po tych, którzy żyli wcześniej i który istnieje jako kod genetyczny.

Wcześniej podkreślaliśmy, że nukleotydy mają ważną cechę dla tworzenia życia na Ziemi – jeśli w roztworze znajduje się jeden łańcuch polinukleotydowy, proces tworzenia drugiego (równoległego) łańcucha zachodzi samoistnie na podstawie komplementarnego połączenia spokrewnionych nukleotydy. Niezbędnym warunkiem realizacji takich reakcji jest taka sama liczba nukleotydów w obu łańcuchach i ich związek chemiczny. Jednak podczas syntezy białek, gdy informacja z mRNA jest implementowana do struktury białka, nie może być mowy o przestrzeganiu zasady komplementarności. Wynika to z faktu, że nie tylko liczba monomerów jest różna w mRNA i w zsyntetyzowanym białku, ale także, co szczególnie ważne, nie ma między nimi podobieństwa strukturalnego (z jednej strony nukleotydy, z drugiej , aminokwasy). Jasne jest, że w tym przypadku konieczne staje się stworzenie nowej zasady dokładnej translacji informacji z polinukleotydu na strukturę polipeptydu. W ewolucji taka zasada została stworzona, a u jej podstaw ustanowiono kod genetyczny.

Kod genetyczny to system rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, które tworzą kodony odpowiadające aminokwasom w białku.

Kod genetyczny ma kilka właściwości.

Trójka.

Degeneracja lub nadmiarowość.

Jednoznaczność.

Biegunowość.

Bez nakładania się.

Ścisłość.

Wszechstronność.

Należy zauważyć, że niektórzy autorzy proponują również inne właściwości kodu związane z charakterystyką chemiczną zawartych w kodzie nukleotydów lub z częstością występowania poszczególnych aminokwasów w białkach ustrojowych itp. Jednak te właściwości wynikają z powyższego, więc rozważymy je tam.

ale. Trójka. Kod genetyczny, podobnie jak wiele złożonych systemów zorganizowanych, ma najmniejszą jednostkę strukturalną i funkcjonalną. Trójka to najmniejsza strukturalna jednostka kodu genetycznego. Składa się z trzech nukleotydów. Kodon jest najmniejszą funkcjonalną jednostką kodu genetycznego. Z reguły tryplety mRNA nazywane są kodonami. W kodzie genetycznym kodon pełni kilka funkcji. Po pierwsze, jego główną funkcją jest to, że koduje jeden aminokwas. Po drugie, kodon może nie kodować aminokwasu, ale w tym przypadku pełni inną funkcję (patrz niżej). Jak widać z definicji, tryplet to pojęcie, które charakteryzuje podstawowy jednostka strukturalna kod genetyczny (trzy nukleotydy). Kodon - charakteryzuje elementarna jednostka semantyczna genom – trzy nukleotydy warunkują przyłączenie jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego.

Elementarną jednostkę strukturalną rozszyfrowano najpierw teoretycznie, a następnie potwierdzono eksperymentalnie jej istnienie. Rzeczywiście, 20 aminokwasów nie może być kodowanych przez jeden lub dwa nukleotydy. te ostatnie to tylko 4. Trzy z czterech nukleotydów dają 4 3 = 64 warianty, co więcej niż przekracza liczbę aminokwasów dostępnych w organizmach żywych (patrz Tabela 1).

Kombinacje nukleotydów przedstawione w Tabeli 64 mają dwie cechy. Po pierwsze, z 64 wariantów trojaczków tylko 61 to kodony i kodują dowolny aminokwas, nazywa się je kodony zmysłowe... Trzy trojaczki nie kodują

Tabela 1.

Kodony Messenger RNA i odpowiadające im aminokwasy

aminokwasy a są sygnałami stop wskazującymi na koniec translacji. Są trzy takie trojaczki - UAA, UAG, UGA, są również nazywane „bezsensownymi” (kodonami nonsensownymi). W wyniku mutacji, która jest związana z wymianą jednego nukleotydu w trójce na inny, z kodonu sensownego może powstać kodon pozbawiony znaczenia. Ten rodzaj mutacji nazywa się nonsensowna mutacja... Jeżeli taki sygnał stop powstanie wewnątrz genu (w jego części informacyjnej), to podczas syntezy białka w tym miejscu proces będzie stale przerywany – syntetyzowana będzie tylko pierwsza (przed sygnałem stop) część białka. Osoba z tą patologią będzie miała brak białka i objawy związane z tym brakiem. Na przykład ten rodzaj mutacji został znaleziony w genie kodującym łańcuch beta hemoglobiny. Syntetyzowany jest skrócony nieaktywny łańcuch hemoglobiny, który szybko ulega zniszczeniu. W efekcie powstaje cząsteczka hemoglobiny pozbawiona łańcucha beta. Oczywiste jest, że taka cząsteczka prawdopodobnie nie spełni w pełni swoich obowiązków. Występuje poważna choroba, rozwijająca się jako niedokrwistość hemolityczna (talasemia beta-zero, od greckiego słowa „Talas” - Morze Śródziemne, gdzie po raz pierwszy odkryto tę chorobę).

Mechanizm działania kodonów stop jest inny niż kodonów sensownych. Wynika to z faktu, że dla wszystkich kodonów kodujących aminokwasy znaleziono odpowiednie tRNA. Nie znaleziono tRNA dla nonsensownych kodonów. Dlatego tRNA nie bierze udziału w procesie zatrzymania syntezy białek.

KodonSIE (czasami GUG u bakterii) nie tylko kodują aminokwas metioninę i walinę, ale takżeinicjator transmisji .

b. Degeneracja lub nadmiarowość.

61 z 64 trojaczków koduje 20 aminokwasów. Takie trzykrotne przekroczenie liczby trypletów nad liczbą aminokwasów sugeruje, że w przekazywaniu informacji można zastosować dwie opcje kodowania. Po pierwsze, nie wszystkie 64 kodony mogą być zaangażowane w kodowanie 20 aminokwasów, ale tylko 20, a po drugie, aminokwasy mogą być kodowane przez kilka kodonów. Badania wykazały, że natura skorzystała z tej drugiej opcji.

Jego preferencja jest oczywista. Gdyby tylko 20 z 64 wariantów trójek brało udział w kodowaniu aminokwasów, to 44 trójki (z 64) pozostałyby niekodujące, tj. bez znaczenia (bezsensowne kodony). Wcześniej zwracaliśmy uwagę na to, jak niebezpieczna dla żywotnej aktywności komórki jest przekształcenie trójki kodującej w wyniku mutacji w kodon nonsensowny – to znacząco zaburza normalne działanie polimerazy RNA, prowadząc ostatecznie do rozwoju chorób. Obecnie w naszym genomie trzy kodony nie mają znaczenia, ale teraz wyobraź sobie, jak by to było, gdyby liczba nonsensownych kodonów wzrosła około 15 razy. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji przejście normalnych kodonów do nonsensownych kodonów będzie niezmiernie wyższe.

Kod, w którym jeden aminokwas jest kodowany przez kilka trypletów, nazywany jest zdegenerowanym lub nadmiarowym. Kilka kodonów odpowiada prawie każdemu aminokwasowi. Tak więc aminokwas leucyna może być kodowany przez sześć trypletów - UUA, UUG, CUU, CUTS, CUA, CUG. Walina jest kodowana przez cztery trojaczki, fenyloalanina przez dwie i tylko tryptofan i metionina są kodowane przez jeden kodon. Właściwość, która jest związana z zapisem tej samej informacji za pomocą różnych symboli, nazywa się degeneracja.

Liczba kodonów przypisanych do jednego aminokwasu dobrze koreluje z częstością występowania tego aminokwasu w białkach.

I to najprawdopodobniej nie jest przypadkowe. Im wyższa częstość występowania aminokwasu w białku, im częściej w genomie prezentowany jest kodon tego aminokwasu, tym większe prawdopodobieństwo jego uszkodzenia przez czynniki mutagenne. Dlatego jasne jest, że zmutowany kodon ma większą szansę na zakodowanie tego samego aminokwasu, biorąc pod uwagę jego wysoką degenerację. Z tych pozycji degeneracja kodu genetycznego jest mechanizmem chroniącym ludzki genom przed uszkodzeniem.

Należy zauważyć, że termin degeneracja jest używany w genetyce molekularnej i w innym sensie. Tak więc główna część informacji w kodonie przypada na pierwsze dwa nukleotydy, zasada w trzeciej pozycji kodonu jest nieistotna. Zjawisko to nazywa się „degeneracją trzeciej bazy”. Ta ostatnia cecha minimalizuje efekt mutacji. Na przykład wiadomo, że główną funkcją czerwonych krwinek jest przenoszenie tlenu z płuc do tkanek i dwutlenku węgla z tkanek do płuc. Ta funkcja jest wykonywana przez pigment oddechowy - hemoglobinę, która wypełnia całą cytoplazmę erytrocytów. Składa się z części białkowej - globiny, która jest kodowana przez odpowiedni gen. Oprócz białka w cząsteczce hemoglobiny zawarty jest hem zawierający żelazo. Mutacje w genach globiny prowadzą do pojawienia się różnych wariantów hemoglobiny. Najczęściej mutacje są związane z zastąpienie jednego nukleotydu innym i pojawienie się nowego kodonu w genie, który może kodować nowy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny. W trójce w wyniku mutacji można zastąpić dowolny nukleotyd - pierwszy, drugi lub trzeci. Znanych jest kilkaset mutacji, które wpływają na integralność genów globiny. O 400 z nich są związane z substytucją pojedynczych nukleotydów w genie i odpowiednią substytucją aminokwasową w polipeptydzie. Spośród nich tylko 100 substytucje prowadzą do niestabilności hemoglobiny i różnego rodzaju chorób od łagodnych do bardzo ciężkich. 300 (około 64%) mutacji substytucyjnych nie wpływa na czynność hemoglobiny i nie prowadzi do patologii. Jednym z powodów jest wspomniana wyżej „degeneracja trzeciej zasady”, kiedy podstawienie trzeciego nukleotydu w triplecie kodującym serynę, leucynę, prolinę, argininę i niektóre inne aminokwasy prowadzi do pojawienia się kodonu synonimowego kodujący ten sam aminokwas. Fenotypowo ta mutacja się nie pojawi. Natomiast każda substytucja pierwszego lub drugiego nukleotydu w tryplecie w 100% przypadków prowadzi do pojawienia się nowego wariantu hemoglobiny. Ale nawet w tym przypadku może nie być poważnych zaburzeń fenotypowych. Powodem tego jest zastąpienie aminokwasu w hemoglobinie innym podobnym do pierwszego pod względem właściwości fizykochemicznych. Na przykład, jeśli aminokwas o właściwościach hydrofilowych zostanie zastąpiony innym aminokwasem o tych samych właściwościach.

Hemoglobina składa się z grupy żelazowo-porfirynowej hemu (dołączają się do niej cząsteczki tlenu i dwutlenku węgla) oraz białka - globiny. Hemoglobina dorosłych (HbA) zawiera dwa identyczne -łańcuszki i dwa -więzy. Cząsteczka -łańcuch zawiera 141 reszt aminokwasowych, -łańcuch - 146, - i Łańcuchy β różnią się wieloma resztami aminokwasowymi. Sekwencja aminokwasowa każdego łańcucha globiny jest kodowana przez własny gen. Kodowanie genów - łańcuch znajduje się w krótkim ramieniu chromosomu 16, -gen - w krótkim ramieniu chromosomu 11. Substytucja w kodowaniu genu - łańcuch hemoglobiny pierwszego lub drugiego nukleotydu prawie zawsze prowadzi do pojawienia się nowych aminokwasów w białku, dysfunkcji hemoglobiny i poważnych konsekwencji dla pacjenta. Na przykład zastąpienie „C” w jednej z trójek CAU (histydyny) przez „Y” doprowadzi do pojawienia się nowej trójki CAU, która koduje inny aminokwas - tyrozynę. Łańcuch β polipeptydu histydyny do tyrozyny destabilizuje hemoglobinę. Choroba rozwija methemoglobinemię. Zastąpienie w wyniku mutacji kwasu glutaminowego waliną na 6 pozycji -łańcuchy są przyczyną najpoważniejszej choroby - anemii sierpowatej. Nie kontynuujmy smutnej listy. Zauważamy tylko, że po zastąpieniu dwóch pierwszych nukleotydów aminokwas może wydawać się podobny pod względem właściwości fizykochemicznych do poprzedniego. Zatem zastąpienie drugiego nukleotydu w jednej z trójek kodujących kwas glutaminowy (GAA) w -łańcuch z „Y” prowadzi do pojawienia się nowego trypletu (GUA) kodującego walinę, a zastąpienie pierwszego nukleotydu przez „A” tworzy tryplet AAA kodujący aminokwas lizynę. Kwas glutaminowy i lizyna mają podobne właściwości fizykochemiczne - oba są hydrofilowe. Walina jest aminokwasem hydrofobowym. Dlatego zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofobową waliną znacząco zmienia właściwości hemoglobiny, co ostatecznie prowadzi do rozwoju anemii sierpowatokrwinkowej, natomiast zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofilową lizyną w mniejszym stopniu zmienia funkcję hemoglobiny – pacjenci mają postać łagodną anemii. W wyniku podstawienia trzeciej zasady nowa trójka może kodować te same aminokwasy co poprzednia. Na przykład, jeśli uracyl został zastąpiony cytozyną w trójce CAC i pojawiła się trójka CAC, to praktycznie nie zostaną wykryte żadne zmiany fenotypowe u ludzi. Jest to zrozumiałe, ponieważ oba tryplety kodują ten sam aminokwas, histydynę.

Podsumowując, należy podkreślić, że degeneracja kodu genetycznego i degeneracja trzeciej podstawy z ogólnego biologicznego punktu widzenia są mechanizmami obronnymi osadzonymi w ewolucji w unikalnej strukturze DNA i RNA.

w. Jednoznaczność.

Każda trójka (oprócz pozbawionych znaczenia) koduje tylko jeden aminokwas. Zatem w kierunku kodon - aminokwas kod genetyczny jest jednoznaczny, w kierunku aminokwas - kodon jest niejednoznaczny (zdegenerowany).

Niedwuznaczny

Kodon aminokwasowy

Zdegenerowany

I w tym przypadku potrzeba jednoznaczności w kodzie genetycznym jest oczywista. W innym wariancie, podczas translacji tego samego kodonu, do łańcucha białkowego wprowadzane byłyby różne aminokwasy, w wyniku czego powstawałyby białka o różnych strukturach pierwszorzędowych i różnych funkcjach. Metabolizm komórkowy przestawiłby się na tryb działania „jeden gen – kilka poipeptydów”. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji funkcja regulacyjna genów zostałaby całkowicie utracona.

Biegunowość

Odczytywanie informacji z DNA iz mRNA odbywa się tylko w jednym kierunku. Polaryzacja jest niezbędna do identyfikacji struktur wyższego rzędu (drugorzędne, trzeciorzędne itp.). Omówiliśmy wcześniej, że struktury niższego rzędu definiują struktury wyższego rzędu. Struktura trzeciorzędowa i struktury wyższego rzędu w białkach powstają natychmiast, gdy zsyntetyzowana nić RNA oddzieli się od cząsteczki DNA lub nić polipeptydowa odejdzie od rybosomu. Podczas gdy wolny koniec RNA lub polipeptydu nabywa strukturę trzeciorzędową, drugi koniec łańcucha jest nadal syntetyzowany na DNA (jeśli transkrybowany jest RNA) lub rybosomie (jeśli transkrybowany jest polipeptyd).

Dlatego jednokierunkowy proces odczytywania informacji (w syntezie RNA i białka) jest niezbędny nie tylko do określenia sekwencji nukleotydów lub aminokwasów w syntetyzowanej substancji, ale do sztywnego określenia drugorzędowych, trzeciorzędowych itp. Struktury.

e. Brak nakładania się.

Kod może się nakładać i nie nakładać. Większość organizmów nie ma nakładającego się kodu. W niektórych fagach znajduje się nakładający się kod.

Istotą kodu nienakładającego się jest to, że nukleotyd jednego kodonu nie może być jednocześnie nukleotydem innego kodonu. Gdyby kod się nakładał, to sekwencja siedmiu nukleotydów (GCCHCUG) mogłaby kodować nie dwa aminokwasy (alanina-alanina) (ryc. 33, A), jak w przypadku kodu nienakładającego się, ale trzy (jeśli jeden nukleotyd jest wspólny) (ryc. 33, B) lub pięć (jeśli dwa nukleotydy są wspólne) (zob. ryc. 33, C). W ostatnich dwóch przypadkach mutacja dowolnego nukleotydu doprowadziłaby do zakłócenia sekwencji dwóch, trzech itd. aminokwasy.

Stwierdzono jednak, że pojedyncza mutacja nukleotydowa zawsze zakłóca włączenie jednego aminokwasu do polipeptydu. Jest to istotny powód, dla którego kod się nie nakłada.

Wyjaśnijmy to na rysunku 34. Pogrubione linie pokazują tryplety kodujące aminokwasy w przypadku kodu nienakładającego się i nakładającego się. Eksperymenty jednoznacznie wykazały, że kod genetyczny się nie pokrywa. Nie wchodząc w szczegóły eksperymentu, zauważamy, że jeśli zastąpimy trzeci nukleotyd w sekwencji nukleotydowej (patrz ryc. 34)Mieć (oznaczone gwiazdką) na inne:

1. W przypadku kodu nienakładającego się, białko kontrolowane przez tę sekwencję będzie miało podstawienie jednego (pierwszego) aminokwasu (oznaczonego gwiazdkami).

2. Przy nakładającym się kodzie w opcji A nastąpiłaby zmiana w dwóch (pierwszym i drugim) aminokwasach (oznaczonych gwiazdkami). W wariancie B zamiana dotyczyłaby trzech aminokwasów (oznaczonych gwiazdkami).

Jednak liczne eksperymenty wykazały, że gdy zaburzony jest jeden nukleotyd w DNA, zaburzenia w białku zawsze dotyczą tylko jednego aminokwasu, co jest charakterystyczne dla kodu nienakładającego się.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

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

Alanina - Alanin Ala - Cis - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei

A B C

Nienakładający się kod Nakładający się kod

Figa. 34. Schemat wyjaśniający obecność nienakładającego się kodu w genomie (wyjaśnienie w tekście).

Brak nakładania się kodu genetycznego wiąże się z inną właściwością - odczyt informacji rozpoczyna się od pewnego punktu - sygnału inicjacji. Takim sygnałem inicjacji w mRNA jest kodon kodujący AUG metioniny.

Należy zauważyć, że ludzie nadal mają niewielką liczbę genów, które odbiegają od ogólnej zasady i nakładają się.

e. Zwartość.

Pomiędzy kodonami nie ma znaków interpunkcyjnych. Innymi słowy, trojaczki nie są oddzielone od siebie na przykład jednym nic nie znaczącym nukleotydem. Brak „znaków interpunkcyjnych” w kodzie genetycznym udowodniono w eksperymentach.

fa. Wszechstronność.

Kod jest taki sam dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bezpośrednie dowody na uniwersalność kodu genetycznego uzyskano porównując sekwencje DNA z odpowiednimi sekwencjami białkowymi. Okazało się, że we wszystkich genomach bakteryjnych i eukariotycznych stosuje się te same zestawy wartości kodów. Są wyjątki, ale nie wiele.

Pierwsze wyjątki od uniwersalności kodu genetycznego znaleziono w mitochondriach niektórych gatunków zwierząt. Dotyczyło to kodonu terminatora UGA, który odczytywano w taki sam sposób, jak kodon UGG kodujący aminokwas tryptofan. Stwierdzono inne, rzadsze odstępstwa od uniwersalności.

MH. Kod genetyczny to system rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, które tworzą kodony,

odpowiadające aminokwasom w białku.Kod genetyczny ma kilka właściwości.