Prinzipien der Kodierung und Implementierung genetischer Informationen in einer Zelle. Molekulare Grundlagen der Vererbung. Kodierung und Umsetzung biologischer Informationen in einer Zelle. DNA-Code-System. Genetischer Code Was ist ein Code

Es gibt drei Hauptunterschiede zwischen DNA- und RNA-Molekülen.

    DNA enthält den Zucker Desoxyribose, RNA enthält Ribose.

    Im DNA-Molekül ist das zu Adenin komplementäre (korrespondierende) Nukleotid Thymin und im RNA-Molekül Uracil.

    DNA ist eine Doppelhelix, RNA ist eine Einfachhelix. RNA ist normalerweise kürzer.

6. Genetischer Code Was ist ein Code?

Ein Code ist eine Regel, die jeder bestimmten Nachricht eine fest definierte Kombination von Zeichen zuordnet.

Der einfachste Weg, dies zu zeigen, ist mit einem Wort. Beispielsweise wird das Konzept einer Wohnung für eine Person oder eine Gruppe von Personen durch ein Wort kodiert, das aus drei Buchstaben besteht – „Haus“.

Verschlüsselte Informationen lassen sich leicht speichern, verarbeiten, kopieren und übertragen.

Genetischer Code

Informationen über die Abfolge von Aminosäuren in einem Protein werden in der Sprache der Nukleotide kodiert. Diese Sprache hat vier Buchstaben - vier stickstoffhaltige Basen - Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Mit ihrer Hilfe müssen Sie 20 Aminosäuren benennen. Wenn wir Wörter verwenden, die nur aus einem Buchstaben bestehen, können nur vier Wörter gebildet werden - A, T, G und C. 4 \u003d 4 1. Dies ist natürlich nicht genug. Wenn unsere Wörter aus zwei Buchstaben bestehen, können wir 16 Wörter bilden: AT, AG, GC usw. 16 = 4 2 . Auch diese Worte reichen nicht aus. Wenn Sie jedoch Wörter mit drei Buchstaben verwenden, erhalten Sie 4 3 \u003d 64 Wörter. Sie werden völlig ausreichen, um 20 Aminosäuren zu nennen. Es stellt sich sogar heraus, dass ihnen zwei oder mehr Namen gegeben werden können. Zum Beispiel hat dasselbe Tier zwei Namen - "Behemoth" und "Nilpferd".

Dass 20 Aminosäuren durch zu Tripel kombinierte Nukleotide kodiert werden können, wurde von Georgy Antonovich Gamov, dem Autor der Urknalltheorie, erraten.

Jedes Triplett von Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren, wird Codon oder Triplett genannt.

Ein Codon (Triplett) ist ein Triplett von Nukleotiden, das für eine Aminosäure kodiert.

Das „Wörterbuch“ für die Übersetzung von der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren wird genetischer Code genannt.

Der genetische Code ist eine Entsprechungstabelle von Codons zu Aminosäuren.

Es wurde in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts zusammengestellt.

Einige Eigenschaften des genetischen Codes

1. Jede Aminosäure wird von mehr als einem Codon codiert (von 2 bis 6 Codons pro Aminosäure).

2. Jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure.

Wie Informationen in einem DNA-Molekül kodiert werden

In einem DNA-Molekül ist jeder Strang eine Sequenz von Nukleotiden. Es ist einfacher, sich vorzustellen, dass dies eine bestimmte Abfolge stickstoffhaltiger Basen ist – Querbalken zwischen DNA-Ketten. Aber immerhin handelt es sich auch hier um eine bestimmte Abfolge von Querbalken, die in Triolen unterteilt sind, d.h. Kodons. Wenn darüber hinaus die stickstoffhaltigen Basen eines DNA-Strangs, die durch Wasserstoffbrückenbindungen mit den stickstoffhaltigen Basen des anderen Strangs verbunden sind, komplementär sind – sie einander entsprechen, dann sind die in Tripletts unterteilten stickstoffhaltigen Basen gleich komplementär, d. h. Kodons. Ein Codon, das zu einem anderen Codon komplementär ist, wird als Anticodon bezeichnet. Beispielsweise ist AHA komplementär zu TCT.

Auf jeder Kette des DNA-Moleküls befindet sich also eine bestimmte Abfolge von Codons. Aber jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure. Daher bestimmt die Sequenz von Codons auf einer der DNA-Ketten eindeutig die Sequenz von Aminosäuren. Daher ist es unter Verwendung der Sequenz von Codons, die sich auf der DNA-Kette befinden, möglich, die Sequenz von Aminosäuren in einem Proteinmolekül, mit anderen Worten, seine Struktur zu codieren. Diese Sequenz von Codons ist das Gen.

Ein Gen ist ein Abschnitt eines DNA-Moleküls, der als Vorlage für die Synthese eines einzelnen Proteins dient.

Rechts ist die größte menschliche DNA-Helix zu sehen, die von Menschen am Strand in Varna (Bulgarien) gebaut wurde und am 23. April 2016 in das Guinness-Buch der Rekorde aufgenommen wurde

Desoxyribonukleinsäure. Allgemeine Information

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eine Art Bauplan des Lebens, ein komplexer Code, der Daten über Erbinformationen enthält. Dieses komplexe Makromolekül ist in der Lage, Erbinformationen zu speichern und von Generation zu Generation weiterzugeben. Die DNA bestimmt solche Eigenschaften eines lebenden Organismus wie Vererbung und Variabilität. Die darin verschlüsselten Informationen bestimmen das gesamte Entwicklungsprogramm jedes lebenden Organismus. Genetisch eingebettete Faktoren bestimmen den gesamten Lebensverlauf sowohl eines Menschen als auch jedes anderen Organismus. Künstliche oder natürliche Einflüsse der äußeren Umgebung können die Gesamtausprägung einzelner genetischer Merkmale nur geringfügig beeinflussen oder die Entwicklung programmierter Prozesse beeinflussen.

Desoxyribonukleinsäure(DNA) ist ein Makromolekül (eines der drei Hauptmoleküle, die anderen beiden sind RNA und Proteine), das für die Speicherung, Übertragung von Generation zu Generation und Implementierung des genetischen Programms für die Entwicklung und Funktion lebender Organismen sorgt. DNA enthält Informationen über die Struktur verschiedene Sorten RNS und Proteine.

In eukaryotischen Zellen (Tiere, Pflanzen und Pilze) findet sich DNA im Zellkern als Teil von Chromosomen sowie in einigen Zellorganellen (Mitochondrien und Plastiden). In den Zellen prokaryotischer Organismen (Bakterien und Archaeen) wird ein zirkuläres oder lineares DNA-Molekül, das sogenannte Nukleoid, von innen an die Zellmembran angeheftet. Sie und niedere Eukaryoten (z. B. Hefe) haben auch kleine autonome, meist kreisförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide.

Aus chemischer Sicht ist DNA ein langes polymeres Molekül, das aus sich wiederholenden Blöcken - Nukleotiden - besteht. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker (Desoxyribose) und einer Phosphatgruppe. Die Bindungen zwischen Nukleotiden in einer Kette werden durch Desoxyribose ( AUS) und Phosphat ( F)-Gruppen (Phosphodiesterbindungen).


Reis. 2. Nukletid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, Zucker (Desoxyribose) und einer Phosphatgruppe

In der überwältigenden Mehrheit der Fälle (mit Ausnahme einiger Viren, die einzelsträngige DNA enthalten) besteht das DNA-Makromolekül aus zwei Ketten, die durch stickstoffhaltige Basen zueinander ausgerichtet sind. Dieses doppelsträngige Molekül ist spiralförmig verdrillt.

Es gibt vier Arten von stickstoffhaltigen Basen in der DNA (Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin). Die stickstoffhaltigen Basen einer der Ketten sind mit den stickstoffhaltigen Basen der anderen Kette nach dem Prinzip der Komplementarität durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden: Adenin verbindet sich nur mit Thymin ( BEI), Guanin - nur mit Cytosin ( GC). Diese Paare bilden die „Sprossen“ der helikalen „Leiter“ der DNA (siehe: Abb. 2, 3 und 4).


Reis. 2. Stickstoffbasen

Die Nukleotidsequenz ermöglicht es Ihnen, Informationen über verschiedene Arten von RNA zu "kodieren", von denen die wichtigsten Informations- oder Template- (mRNA), Ribosomen- (rRNA) und Transport- (tRNA) sind. Alle diese Arten von RNA werden auf der DNA-Matrize synthetisiert, indem die DNA-Sequenz in die während der Transkription synthetisierte RNA-Sequenz kopiert wird, und nehmen an der Proteinbiosynthese (Translationsprozess) teil. Zusätzlich zu codierenden Sequenzen enthält Zell-DNA Sequenzen, die regulatorische und strukturelle Funktionen erfüllen.


Reis. 3. DNA-Replikation

Die Lage der Grundkombinationen chemischer DNA-Verbindungen und die quantitativen Verhältnisse zwischen diesen Kombinationen liefern die Codierung von Erbinformationen.

Ausbildung neue DNA (Replikation)

  1. Der Replikationsprozess: das Aufwickeln der DNA-Doppelhelix - die Synthese komplementärer Stränge durch die DNA-Polymerase - die Bildung von zwei DNA-Molekülen aus einem.
  2. Die Doppelhelix „entpackt“ sich in zwei Zweige, wenn Enzyme die Bindung zwischen den Basenpaaren chemischer Verbindungen aufbrechen.
  3. Jeder Zweig ist ein neues DNA-Element. Neue Basenpaare werden in der gleichen Reihenfolge wie im Stammzweig verbunden.

Nach Abschluss der Duplikation werden zwei unabhängige Helices gebildet, die aus den chemischen Verbindungen der Eltern-DNA entstanden sind und denselben genetischen Code haben. Auf diese Weise ist die DNA in der Lage, Informationen von Zelle zu Zelle zu übertragen.

Nähere Informationen:

STRUKTUR DER NUKLEINSÄUREN


Reis. vier . Stickstoffbasen: Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin

Desoxyribonukleinsäure(DNA) bezieht sich auf Nukleinsäuren. Nukleinsäuren ist eine Klasse unregelmäßiger Biopolymere, deren Monomere Nukleotide sind.

Nukleotide besteht aus Stickstoffbase, verbunden mit einem Kohlenhydrat mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) - Desoxyribose(im Fall von DNA) oder Ribose(im Fall von RNA), die sich mit einem Phosphorsäurerest (H 2 PO 3 -) verbindet.

Stickstoffbasen Es gibt zwei Arten: Pyrimidinbasen - Uracil (nur in RNA), Cytosin und Thymin, Purinbasen - Adenin und Guanin.


Reis. Abb. 5. Die Struktur von Nukleotiden (links), die Position des Nukleotids in der DNA (unten) und die Arten von stickstoffhaltigen Basen (rechts): Pyrimidin und Purin


Die Kohlenstoffatome in einem Pentosemolekül sind von 1 bis 5 nummeriert. Phosphat verbindet sich mit dem dritten und fünften Kohlenstoffatom. So werden Nukleinsäuren zu einer Kette von Nukleinsäuren verknüpft. So können wir die 3'- und 5'-Enden des DNA-Strangs isolieren:


Reis. 6. Isolierung der 3'- und 5'-Enden des DNA-Strangs

Es bilden sich zwei DNA-Stränge Doppelhelix. Diese Ketten in einer Spirale sind in entgegengesetzte Richtungen orientiert. In verschiedenen DNA-Strängen sind stickstoffhaltige Basen miteinander verbunden Wasserstoffbrücken. Adenin verbindet sich immer mit Thymin und Cytosin verbindet sich immer mit Guanin. Das heißt Komplementaritätsregel.

Komplementaritätsregel:

A-T G-C

Zum Beispiel, wenn uns ein DNA-Strang gegeben wird, der die Sequenz hat

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

dann ist die zweite Kette dazu komplementär und in die entgegengesetzte Richtung gerichtet - vom 5'-Ende zum 3'-Ende:

5'-TACAGGATCGACGAGC-3'.


Reis. 7. Die Richtung der Ketten des DNA-Moleküls und die Verbindung stickstoffhaltiger Basen durch Wasserstoffbrückenbindungen

DNA REPLIKATION

DNA Replikation ist der Prozess der Verdoppelung eines DNA-Moleküls durch Template-Synthese. In den meisten Fällen natürliche DNA-ReplikationGrundierungfür die DNA-Synthese ist kurzer Ausschnitt (neu erstellt). Ein solcher Ribonukleotid-Primer wird durch das Enzym Primase (DNA-Primase in Prokaryoten, DNA-Polymerase in Eukaryoten) erzeugt und anschließend durch die Desoxyribonukleotid-Polymerase ersetzt, die normalerweise Reparaturfunktionen erfüllt (Korrektur chemischer Schäden und Brüche im DNA-Molekül).

Die Replikation erfolgt auf halbkonservative Weise. Das bedeutet, dass sich die Doppelhelix der DNA auflöst und an jeder ihrer Ketten nach dem Prinzip der Komplementarität eine neue Kette komplettiert wird. Das Tochter-DNA-Molekül enthält somit einen Strang aus dem Elternmolekül und einen neu synthetisierten. Die Replikation erfolgt in der 3'- bis 5'-Richtung des Elternstrangs.

Reis. 8. Replikation (Verdopplung) des DNA-Moleküls

DNA-Synthese- Dies ist kein so komplizierter Prozess, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Wenn Sie darüber nachdenken, müssen Sie zuerst herausfinden, was Synthese ist. Es ist der Prozess, etwas zusammenzubringen. Die Bildung eines neuen DNA-Moleküls erfolgt in mehreren Schritten:

1) DNA-Topoisomerase, die sich vor der Replikationsgabel befindet, schneidet die DNA, um ihr Abwickeln und Abwickeln zu erleichtern.
2) DNA-Helikase beeinflusst nach der Topoisomerase den Vorgang des "Abwickelns" der DNA-Helix.
3) DNA-bindende Proteine ​​führen die Bindung von DNA-Strängen durch und führen auch ihre Stabilisierung durch, wodurch verhindert wird, dass sie aneinander haften.
4) DNA-Polymerase δ(Delta) , koordiniert mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Replikationsgabel, führt die Synthese durchführendKetten Tochtergesellschaft DNA in Richtung 5" → 3" auf der Matrix mütterlich DNA-Stränge in der Richtung vom 3"-Ende zum 5"-Ende (Geschwindigkeit bis zu 100 Basenpaare pro Sekunde). Diese Ereignisse dazu mütterlich DNA-Stränge sind begrenzt.



Reis. 9. Schematische Darstellung des DNA-Replikationsprozesses: (1) Nachlaufstrang (Lag-Strang), (2) Leitstrang (Leading Strang), (3) DNA-Polymerase α (Polα), (4) DNA-Ligase, (5) RNA -Primer, (6) Primase, (7) Okazaki-Fragment, (8) DNA-Polymerase δ (Polδ), (9) Helikase, (10) Einzelstrang-DNA-bindende Proteine, (11) Topoisomerase.

Die Synthese des nacheilenden Tochter-DNA-Strangs wird unten beschrieben (siehe unten). planen Replikationsgabel und Funktion von Replikationsenzymen)

Weitere Informationen zur DNA-Replikation finden Sie unter

5) Unmittelbar nach dem Abwickeln und Stabilisieren eines anderen Strangs des Ausgangsmoleküls fügt es sich hinzuDNA-Polymerase α(Alpha)und in Richtung 5 "→3" synthetisiert einen Primer (RNA-Primer) - eine RNA-Sequenz auf einer DNA-Matrize mit einer Länge von 10 bis 200 Nukleotiden. Danach das Enzymvom DNA-Strang entfernt.

Anstatt von DNA-Polymeraseα am 3"-Ende der Grundierung befestigt DNA-Polymeraseε .

6) DNA-Polymeraseε (Epsilon) als ob sich die Grundierung weiter verlängert, sondern als Untergrund einbettetDesoxyribonukleotide(in einer Menge von 150-200 Nukleotiden). Dadurch entsteht ein Vollgewinde aus zwei Teilen -RNS(d.h. Grundierung) und DNS. DNA-Polymerase εfunktioniert, bis es auf die Grundierung des vorherigen trifftFragment Okazaki(etwas früher synthetisiert). Dieses Enzym wird dann aus der Kette entfernt.

7) DNA-Polymerase β(beta) steht anstelle vonDNA-Polymerasen ε,bewegt sich in die gleiche Richtung (5" → 3") und entfernt Primer-Ribonukleotide, während an ihrer Stelle Desoxyribonukleotide eingefügt werden. Das Enzym wirkt bis zur vollständigen Entfernung des Primers, d.h. bis ein Desoxyribonukleotid (noch mehr vorher synthetisiertDNA-Polymerase ε). Das Enzym ist nicht in der Lage, das Ergebnis seiner Arbeit und die davor liegende DNA zu verknüpfen, also verlässt es die Kette.

Dadurch "liegt" ein Fragment der Tochter-DNA auf der Matrix des Mutterfadens. Es wird genanntFragment von Okazaki.

8) DNA-Ligase ligiert zwei benachbarte Fragmente Okazaki , d.h. 5 "-Ende des Segments, synthetisiertDNA-Polymerase ε,und 3" Kettenende eingebautDNA-Polymeraseβ .

STRUKTUR DER RNA

Ribonukleinsäure(RNA) ist eines der drei wichtigsten Makromoleküle (die anderen beiden sind DNA und Proteine), die in den Zellen aller lebenden Organismen vorkommen.

Genau wie DNA besteht RNA aus einer langen Kette, in der jedes Glied genannt wird Nukleotid. Jedes Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Ribosezucker und einer Phosphatgruppe. Im Gegensatz zu DNA hat RNA jedoch normalerweise einen statt zwei Stränge. Pentose in RNA wird durch Ribose dargestellt, nicht durch Desoxyribose (Ribose hat eine zusätzliche Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenhydratatom). Schließlich unterscheidet sich DNA von RNA in der Zusammensetzung der stickstoffhaltigen Basen: Anstelle von Thymin ( T) Uracil ist in RNA vorhanden ( U) , das ebenfalls zu Adenin komplementär ist.

Die Nukleotidsequenz ermöglicht es der RNA, genetische Informationen zu kodieren. Alle zellulären Organismen verwenden RNA (mRNA), um die Proteinsynthese zu programmieren.

Zelluläre RNAs werden in einem Prozess namens gebildet Transkription , das heißt die Synthese von RNA auf einer DNA-Matrize, die von speziellen Enzymen durchgeführt wird - RNA-Polymerasen.

Messenger-RNAs (mRNAs) nehmen dann an einem Prozess namens teil Übertragung, diese. Proteinsynthese auf der mRNA-Vorlage unter Beteiligung von Ribosomen. Andere RNAs unterliegen nach der Transkription chemischen Modifikationen und erfüllen nach der Bildung von Sekundär- und Tertiärstrukturen Funktionen, die von der Art der RNA abhängen.

Reis. 10. Der Unterschied zwischen DNA und RNA in Bezug auf die stickstoffhaltige Base: Anstelle von Thymin (T) enthält RNA Uracil (U), das ebenfalls komplementär zu Adenin ist.

TRANSKRIPTION

Dies ist der Prozess der RNA-Synthese auf einer DNA-Matrize. DNA entwindet sich an einer der Stellen. Eine der Ketten enthält Informationen, die auf das RNA-Molekül kopiert werden müssen – diese Kette wird als Kodierung bezeichnet. Der zweite DNA-Strang, der komplementär zum codierenden Strang ist, wird als Matrizenstrang bezeichnet. Bei der Transkription auf der Matrizenkette in 3'-5'-Richtung (entlang der DNA-Kette) wird eine dazu komplementäre RNA-Kette synthetisiert. So entsteht eine RNA-Kopie des kodierenden Strangs.

Reis. 11. Schematische Darstellung der Transkription

Zum Beispiel, wenn uns die Sequenz des codierenden Strangs gegeben wird

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

dann trägt die Matrixkette gemäß der Komplementaritätsregel die Sequenz

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

und die daraus synthetisierte RNA ist die Sequenz

ÜBERTRAGUNG

Betrachten Sie den Mechanismus Proteinsynthese auf der RNA-Matrix, sowie dem genetischen Code und seinen Eigenschaften. Zur Verdeutlichung empfehlen wir außerdem, sich unter dem folgenden Link ein kurzes Video über die Transkriptions- und Übersetzungsprozesse in einer lebenden Zelle anzusehen:

Reis. 12. Prozess der Proteinsynthese: DNA codiert für RNA, RNA codiert für Protein

GENETISCHER CODE

Genetischer Code- ein Verfahren zur Kodierung der Aminosäuresequenz von Proteinen unter Verwendung einer Nukleotidsequenz. Jede Aminosäure wird durch eine Sequenz von drei Nukleotiden kodiert – ein Codon oder ein Triplett.

Genetischer Code, der den meisten Pro- und Eukaryoten gemeinsam ist. Die Tabelle listet alle 64 Codons auf und listet die entsprechenden Aminosäuren auf. Die Basenreihenfolge verläuft vom 5"- zum 3"-Ende der mRNA.

Tabelle 1. Genetischer Standardcode

1
die Grundlage

nie

2. Basis

3
die Grundlage

nie

U

C

EIN

G

U

U U U

(Ph/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cys/C)

U

U U C

U C C

U A C

UG C

C

U U A

(Leu/L)

U. C. A

U A A

Stoppcodon**

U. G. A

Stoppcodon**

EIN

U U G

U C G

U A G

Stoppcodon**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Stütze)

C A U

(Sein/H)

C G U

(Arg/R)

U

C U C

C C C

C A C

C G C

C

CU A

C C A

C A A

(Gln/Q)

CGA

EIN

CU G

C C G

C A G

C G G

G

EIN

A U U

(Ile/I)

A C U

(Thr/T)

A A U

(Asn/N)

A GU

(Ser/S)

U

A U C

A C C

A A C

A G C

C

A UA

A C A

A A A

(Lys/K)

A G A

EIN

Ein UG

(Erfüllt/M)

Ein C G

A A G

A G G

G

G

G U U

(Wert/V)

G C U

(Ala/A)

GA U

(Asp/D)

G G U

(Gly/G)

U

GU C

G C C

G A C

G G C

C

GU A

G C A

G A A

(Kleber)

G G A

EIN

G U G

G C G

G A G

G G G

G

Unter den Drillingen gibt es 4 spezielle Sequenzen, die als "Satzzeichen" fungieren:

  • *Triplett AUG, das auch für Methionin kodiert, heißt Startcodon. Dieses Codon beginnt die Synthese eines Proteinmoleküls. Daher ist während der Proteinsynthese die erste Aminosäure in der Sequenz immer Methionin.
  • **Dreiergruppen UAA, UAG und UGA genannt Codons stoppen und kodieren für keine Aminosäuren. An diesen Sequenzen stoppt die Proteinsynthese.

Eigenschaften des genetischen Codes

1. Triplett. Jede Aminosäure wird von einer Sequenz aus drei Nukleotiden kodiert – einem Triplett oder Codon.

2. Kontinuität. Es gibt keine zusätzlichen Nukleotide zwischen den Tripletts, Informationen werden kontinuierlich gelesen.

3. Nicht überlappend. Ein Nukleotid kann nicht gleichzeitig Teil von zwei Tripletts sein.

4. Einzigartigkeit. Ein Codon kann nur für eine Aminosäure kodieren.

5. Entartung. Eine Aminosäure kann von mehreren unterschiedlichen Codons kodiert werden.

6. Vielseitigkeit. Der genetische Code ist für alle lebenden Organismen gleich.

Beispiel. Wir erhalten die Sequenz des codierenden Strangs:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Die Matrixkette hat die Reihenfolge:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Aus dieser Kette „synthetisieren“ wir nun Informations-RNA:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Die Proteinsynthese verläuft in Richtung 5' → 3', daher müssen wir die Sequenz umdrehen, um den genetischen Code zu "lesen":

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Finden Sie nun das Startcodon AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Teilen Sie die Sequenz in Tripletts:

klingt so: Informationen von DNA werden auf RNA übertragen (Transkription), von RNA auf Protein (Translation). DNA kann auch durch Replikation dupliziert werden, und der Prozess der reversen Transkription ist ebenfalls möglich, wenn DNA aus einer RNA-Matrize synthetisiert wird, aber ein solcher Prozess ist hauptsächlich charakteristisch für Viren.


Reis. 13. Zentrales Dogma Molekularbiologie

GENOM: Gene und Chromosomen

(allgemeine Konzepte)

Genom - die Gesamtheit aller Gene eines Organismus; seinen kompletten Chromosomensatz.

Der Begriff "Genom" wurde 1920 von G. Winkler vorgeschlagen, um die Gesamtheit der Gene zu beschreiben, die im haploiden Chromosomensatz von Organismen derselben biologischen Art enthalten sind. Die ursprüngliche Bedeutung dieses Begriffs weist darauf hin, dass der Begriff des Genoms im Gegensatz zum Genotyp ein genetisches Merkmal der gesamten Art und nicht eines Individuums ist. Mit der Entwicklung der Molekulargenetik hat sich die Bedeutung dieses Begriffs geändert. Es ist bekannt, dass die DNA, die in den meisten Organismen Träger der Erbinformation ist und damit die Grundlage des Genoms bildet, nicht nur Gene im modernen Sinne des Wortes umfasst. Großer Teil Die DNA eukaryotischer Zellen wird durch nichtkodierende („redundante“) Nukleotidsequenzen dargestellt, die keine Informationen über Proteine ​​und Nukleinsäuren enthalten. Somit ist der Hauptteil des Genoms eines jeden Organismus die gesamte DNA seines haploiden Chromosomensatzes.

Gene sind Segmente von DNA-Molekülen, die für Polypeptide und RNA-Moleküle kodieren.

Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat sich unser Verständnis von Genen erheblich verändert. Früher war ein Genom eine Region eines Chromosoms, die ein Merkmal codiert oder bestimmt phänotypisch(sichtbare) Eigenschaft, wie Augenfarbe.

1940 schlugen George Beadle und Edward Tatham eine molekulare Definition eines Gens vor. Wissenschaftler verarbeiteten Pilzsporen Neurospora crassa Röntgenstrahlen und andere Mittel, die Veränderungen in der DNA-Sequenz verursachen ( Mutationen) und fanden Mutantenstämme des Pilzes, die einige spezifische Enzyme verloren, was in einigen Fällen zu einer Störung des gesamten Stoffwechselwegs führte. Beadle und Tatham kamen zu dem Schluss, dass ein Gen ein Abschnitt des genetischen Materials ist, der ein einzelnes Enzym definiert oder kodiert. So lautet die Hypothese "ein Gen, ein Enzym". Dieses Konzept wurde später auf die Definition erweitert "ein Gen - ein Polypeptid", da viele Gene für Proteine ​​codieren, die keine Enzyme sind, und ein Polypeptid eine Untereinheit eines komplexen Proteinkomplexes sein kann.

Auf Abb. 14 zeigt ein Diagramm, wie DNA-Triplets ein Polypeptid, die Aminosäuresequenz eines Proteins, mRNA-vermittelt bestimmen. Einer der DNA-Stränge spielt die Rolle einer Matrize für die Synthese von mRNA, deren Nukleotid-Tripletts (Codons) zu den DNA-Tripletts komplementär sind. Bei einigen Bakterien und vielen Eukaryoten sind codierende Sequenzen durch nicht codierende Regionen (sog Introns).

Moderne biochemische Definition eines Gens noch genauer. Gene sind alle DNA-Abschnitte, die die Primärsequenz von Endprodukten codieren, zu denen Polypeptide oder RNA gehören, die eine strukturelle oder katalytische Funktion haben.

Die DNA enthält neben Genen auch andere Sequenzen, die eine ausschließlich regulatorische Funktion erfüllen. Regulatorische Sequenzen kann den Anfang oder das Ende von Genen markieren, die Transkription beeinflussen oder den Ort der Initiation der Replikation oder Rekombination anzeigen. Einige Gene können auf unterschiedliche Weise exprimiert werden, wobei dasselbe DNA-Stück als Vorlage für die Bildung verschiedener Produkte dient.

Wir können grob rechnen Mindestmaß Gen kodiert für das intermediäre Protein. Jede Aminosäure in einer Polypeptidkette wird durch eine Sequenz von drei Nukleotiden kodiert; die Sequenzen dieser Tripletts (Codons) entsprechen der Kette von Aminosäuren in dem Polypeptid, das von dem gegebenen Gen codiert wird. Eine Polypeptidkette von 350 Aminosäureresten (Kette mittlerer Länge) entspricht einer Sequenz von 1050 bp. ( bp). Viele eukaryotische Gene und einige prokaryotische Gene sind jedoch durch DNA-Abschnitte unterbrochen, die keine Informationen über das Protein tragen, und fallen daher viel länger aus, als eine einfache Rechnung ergibt.

Wie viele Gene befinden sich auf einem Chromosom?


Reis. 15. Ansicht von Chromosomen in prokaryotischen (links) und eukaryotischen Zellen. Histone sind eine breite Klasse von Kernproteinen, die zwei Hauptfunktionen erfüllen: Sie sind an der Verpackung von DNA-Strängen im Zellkern und an der epigenetischen Regulierung von Kernprozessen wie Transkription, Replikation und Reparatur beteiligt.

Wie bekannt, Bakterienzellen haben ein Chromosom in Form eines DNA-Strangs, der in eine kompakte Struktur verpackt ist - ein Nukleoid. prokaryotisches Chromosom Escherichia coli, dessen Genom vollständig entschlüsselt ist, ist ein ringförmiges DNA-Molekül (tatsächlich handelt es sich nicht um einen regelmäßigen Kreis, sondern um eine Schleife ohne Anfang und Ende), bestehend aus 4.639.675 bp. Diese Sequenz enthält ungefähr 4300 Proteingene und weitere 157 Gene für stabile RNA-Moleküle. BEI Menschliches Genom ungefähr 3,1 Milliarden Basenpaare, die fast 29.000 Genen entsprechen, die sich auf 24 verschiedenen Chromosomen befinden.

Prokaryoten (Bakterien).

Bakterium E coli hat ein doppelsträngiges zirkuläres DNA-Molekül. Es besteht aus 4.639.675 b.p. und erreicht eine Länge von etwa 1,7 mm, was die Länge der Zelle selbst übersteigt E coli etwa 850 mal. Neben dem großen zirkulären Chromosom als Teil des Nukleoids enthalten viele Bakterien ein oder mehrere kleine zirkuläre DNA-Moleküle, die sich frei im Zytosol befinden. Diese extrachromosomalen Elemente werden genannt Plasmide(Abb. 16).

Die meisten Plasmide bestehen aus nur wenigen tausend Basenpaaren, einige enthalten mehr als 10.000 bp. Sie tragen genetische Informationen und vermehren sich zu Tochterplasmiden, die bei der Teilung der Mutterzelle in die Tochterzellen gelangen. Plasmide kommen nicht nur in Bakterien, sondern auch in Hefen und anderen Pilzen vor. Plasmide bieten den Wirtszellen in vielen Fällen keinen Vorteil und haben nur die Aufgabe, sich selbstständig zu vermehren. Einige Plasmide tragen jedoch Gene, die für den Wirt nützlich sind. Beispielsweise können in Plasmiden enthaltene Gene Resistenz gegen antibakterielle Mittel in Bakterienzellen verleihen. Plasmide, die das β-Lactamase-Gen tragen, verleihen Resistenz gegen β-Lactam-Antibiotika wie Penicillin und Amoxicillin. Plasmide können von antibiotikaresistenten Zellen auf andere Zellen der gleichen oder einer anderen Bakterienart übergehen, wodurch diese Zellen ebenfalls resistent werden. Die intensive Verwendung von Antibiotika ist ein starker Selektionsfaktor, der die Ausbreitung von Plasmiden, die Antibiotikaresistenz codieren (sowie von Transposons, die ähnliche Gene codieren), unter pathogenen Bakterien fördert und zur Entstehung von Bakterienstämmen mit Resistenz gegen mehrere Antibiotika führt. Ärzte beginnen, die Gefahren des weit verbreiteten Einsatzes von Antibiotika zu verstehen und verschreiben sie nur, wenn es absolut notwendig ist. Aus ähnlichen Gründen ist die weit verbreitete Verwendung von Antibiotika zur Behandlung von Nutztieren begrenzt.

Siehe auch: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genom von Prokaryoten // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. Nr. 4/2. S. 972-984.

Eukaryoten.

Tabelle 2. DNA, Gene und Chromosomen einiger Organismen

gemeinsame DNA,

b.s.

Anzahl der Chromosomen*

Ungefähre Anzahl von Genen

Escherichia coli(Bakterium)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(Hefe)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(Nematode)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(Pflanze)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(Fruchtfliege)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(Reis)

480 000 000

57 000

Mus-Muskel(Maus)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(Mensch)

3 070 128 600

29 000

Notiz. Informationen werden ständig aktualisiert; Weitere aktuelle Informationen finden Sie auf den Websites der einzelnen Genomik-Projekte.

* Für alle Eukaryoten außer Hefe ist der diploide Chromosomensatz angegeben. diploid Bausatz Chromosomen (aus dem Griechischen diploos - doppelt und eidos - Ansicht) - ein doppelter Chromosomensatz (2n), von denen jeder einen homologen hat.
**Haploider Satz. Wilde Hefestämme haben typischerweise acht (oktaploide) oder mehr Sätze dieser Chromosomen.
***Für Frauen mit zwei X-Chromosomen. Männer haben ein X-Chromosom, aber kein Y, also nur 11 Chromosomen.

Eine Hefezelle, einer der kleinsten Eukaryoten, hat 2,6-mal mehr DNA als eine Zelle E coli(Tabelle 2). Fruchtfliegenzellen Drosophila, ein klassisches Objekt der Genforschung, enthält 35-mal mehr DNA, und menschliche Zellen enthalten etwa 700-mal mehr DNA als Zellen E coli. Viele Pflanzen und Amphibien enthalten noch mehr DNA. Das genetische Material eukaryotischer Zellen ist in Form von Chromosomen organisiert. Diploider Chromosomensatz (2 n) hängt von der Art des Organismus ab (Tabelle 2).

Beispielsweise gibt es in einer menschlichen Körperzelle 46 Chromosomen ( Reis. 17). Jedes Chromosom in einer eukaryotischen Zelle, wie in Abb. 17, a, enthält ein sehr großes doppelsträngiges DNA-Molekül. Vierundzwanzig menschliche Chromosomen (22 gepaarte Chromosomen und zwei Geschlechtschromosomen X und Y) unterscheiden sich in der Länge um mehr als das 25-fache. Jedes eukaryotische Chromosom enthält einen bestimmten Satz von Genen.


Reis. 17. eukaryotische Chromosomen.a- ein Paar verbundener und kondensierter Schwesterchromatiden aus dem menschlichen Chromosom. In dieser Form verbleiben eukaryotische Chromosomen nach der Replikation und in der Metaphase während der Mitose. b- ein vollständiger Chromosomensatz aus einem Leukozyten eines der Autoren des Buches. Jede normale menschliche Körperzelle enthält 46 Chromosomen.

Verbindet man die DNA-Moleküle des menschlichen Genoms (22 Chromosomen und die Chromosomen X und Y bzw. X und X) miteinander, erhält man eine etwa einen Meter lange Sequenz. Hinweis: Bei allen Säugetieren und anderen heterogametischen männlichen Organismen haben die Weibchen zwei X-Chromosomen (XX) und die Männchen ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom (XY).

Die meisten menschlichen Zellen, daher beträgt die gesamte DNA-Länge solcher Zellen etwa 2 m. Ein erwachsener Mensch hat etwa 10 14 Zellen, die Gesamtlänge aller DNA-Moleküle beträgt also 2・10 11 km. Zum Vergleich: Der Umfang der Erde beträgt 4 ・ 10 4 km und die Entfernung von der Erde zur Sonne 1,5 ・ 10 8 km. So erstaunlich kompakt verpackt ist die DNA in unseren Zellen!

In eukaryotischen Zellen gibt es andere Organellen, die DNA enthalten - dies sind Mitochondrien und Chloroplasten. Es wurden viele Hypothesen bezüglich des Ursprungs der mitochondrialen und Chloroplasten-DNA aufgestellt. Der heute allgemein anerkannte Standpunkt ist, dass sie die Rudimente der Chromosomen alter Bakterien sind, die in das Zytoplasma der Wirtszellen eingedrungen sind und die Vorläufer dieser Organellen wurden. Mitochondriale DNA kodiert für mitochondriale tRNA und rRNA sowie mehrere mitochondriale Proteine. Mehr als 95 % der mitochondrialen Proteine ​​werden von Kern-DNA kodiert.

STRUKTUR DER GENE

Betrachten Sie die Struktur des Gens in Prokaryoten und Eukaryoten, ihre Ähnlichkeiten und Unterschiede. Obwohl ein Gen ein DNA-Abschnitt ist, der nur ein Protein oder eine RNA kodiert, enthält es neben dem direkt kodierenden Teil auch regulatorische und andere Strukturelemente, die bei Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich aufgebaut sind.

codierende Sequenz- die wichtigste strukturelle und funktionelle Einheit des Gens, darin befinden sich die Nukleotidtripletts, die kodierenAminosäuresequenz. Es beginnt mit einem Startcodon und endet mit einem Stopcodon.

Vor und nach der Codiersequenz stehen untranslatierte 5'- und 3'-Sequenzen. Sie übernehmen regulatorische und Hilfsfunktionen, sorgen beispielsweise für die Landung des Ribosoms auf der mRNA.

Untranslatierte und codierende Sequenzen bilden die Einheit der Transkription - die transkribierte DNA-Region, dh die DNA-Region, aus der mRNA synthetisiert wird.

Terminator Eine nicht transkribierte DNA-Region am Ende eines Gens, wo die RNA-Synthese aufhört.

Am Anfang steht das Gen Regulierungsbereich, welches beinhaltet Promoter und Operator.

Promoter- die Sequenz, an die die Polymerase während der Transkriptionsinitiation bindet. Operator- das ist der Bereich, an den spezielle Proteine ​​binden können - Unterdrücker, die die Aktivität der RNA-Synthese aus diesem Gen reduzieren - mit anderen Worten, reduzieren kann Ausdruck.

Die Struktur von Genen in Prokaryoten

Der allgemeine Plan für die Struktur von Genen in Prokaryoten und Eukaryoten unterscheidet sich nicht – beide enthalten eine regulatorische Region mit einem Promotor und Operator, eine Transkriptionseinheit mit codierenden und nicht-translatierten Sequenzen und einen Terminator. Die Organisation von Genen in Prokaryoten und Eukaryoten ist jedoch unterschiedlich.

Reis. 18. Schema der Struktur des Gens in Prokaryoten (Bakterien) -das Bild wird vergrößert

Am Anfang und am Ende des Operons gibt es gemeinsame regulatorische Regionen für mehrere Strukturgene. Aus der transkribierten Region des Operons wird ein mRNA-Molekül abgelesen, das mehrere kodierende Sequenzen enthält, von denen jede ihr eigenes Start- und Stoppcodon hat. Aus jedem dieser Bereicheein Protein wird synthetisiert. Auf diese Weise, Aus einem i-RNA-Molekül werden mehrere Proteinmoleküle synthetisiert.

Prokaryoten zeichnen sich durch die Kombination mehrerer Gene zu einer einzigen funktionellen Einheit aus - Operon. Die Arbeit des Operons kann durch andere Gene reguliert werden, die merklich vom Operon selbst entfernt werden können - Regler. Das Protein, das von diesem Gen übersetzt wird, wird genannt Unterdrücker. Es bindet an den Operator des Operons und reguliert gleichzeitig die Expression aller darin enthaltenen Gene.

Auch Prokaryoten sind durch das Phänomen gekennzeichnet Transkriptions- und Übersetzungskonjugationen.


Reis. 19 Das Phänomen der Konjugation von Transkription und Translation in Prokaryoten - das Bild wird vergrößert

Diese Paarung tritt bei Eukaryoten nicht auf, da eine Kernmembran vorhanden ist, die das Zytoplasma, in dem die Translation stattfindet, von dem genetischen Material trennt, auf dem die Transkription stattfindet. In Prokaryoten kann während der Synthese von RNA auf einer DNA-Matrize ein Ribosom sofort an das synthetisierte RNA-Molekül binden. Somit beginnt die Übersetzung, noch bevor die Transkription abgeschlossen ist. Darüber hinaus können mehrere Ribosomen gleichzeitig an ein RNA-Molekül binden und mehrere Moleküle eines Proteins gleichzeitig synthetisieren.

Die Struktur von Genen in Eukaryoten

Die Gene und Chromosomen von Eukaryoten sind sehr komplex organisiert.

Bakterien vieler Arten haben nur ein Chromosom, und in fast allen Fällen gibt es eine Kopie jedes Gens auf jedem Chromosom. Nur wenige Gene, wie rRNA-Gene, sind in mehreren Kopien enthalten. Gene und regulatorische Sequenzen machen fast das gesamte Genom von Prokaryoten aus. Darüber hinaus entspricht fast jedes Gen genau der Aminosäuresequenz (oder RNA-Sequenz), die es codiert (Abb. 14).

Die strukturelle und funktionelle Organisation eukaryotischer Gene ist viel komplexer. Die Untersuchung eukaryotischer Chromosomen und später die Sequenzierung vollständiger eukaryotischer Genomsequenzen hat viele Überraschungen gebracht. Viele, wenn nicht die meisten eukaryotischen Gene haben interessante Funktion: ihre Nukleotidsequenzen enthalten eine oder mehrere DNA-Regionen, die nicht die Aminosäuresequenz des Polypeptidprodukts codieren. Solche nicht-translatierten Inserts unterbrechen die direkte Entsprechung zwischen der Nukleotidsequenz des Gens und der Aminosäuresequenz des codierten Polypeptids. Diese nicht übersetzten Segmente in den Genen werden genannt Introns, oder eingebaut Sequenzen, und die codierenden Segmente sind Exons. In Prokaryoten enthalten nur wenige Gene Introns.

Bei Eukaryoten gibt es also praktisch keine Kombination von Genen zu Operons, und die codierende Sequenz eines eukaryotischen Gens wird am häufigsten in translatierte Regionen unterteilt. - Exons, und nicht übersetzte Abschnitte - Introns.

In den meisten Fällen wurde die Funktion von Introns nicht festgestellt. Im Allgemeinen sind nur etwa 1,5 % der menschlichen DNA „codierend“, das heißt, sie tragen Informationen über Proteine ​​oder RNA. Unter Berücksichtigung großer Introns stellt sich jedoch heraus, dass 30 % der menschlichen DNA aus Genen bestehen. Da Gene einen relativ kleinen Teil des menschlichen Genoms ausmachen, bleibt eine beträchtliche Menge an DNA unerklärt.

Reis. 16. Schema der Struktur des Gens in Eukaryoten - das Bild wird vergrößert

Aus jedem Gen wird zunächst eine unreife oder Prä-RNA synthetisiert, die sowohl Introns als auch Exons enthält.

Danach findet der Splicing-Prozess statt, wodurch die Intron-Regionen herausgeschnitten werden und eine reife mRNA entsteht, aus der ein Protein synthetisiert werden kann.


Reis. 20. Alternatives Spleißverfahren - das Bild wird vergrößert

Eine solche Organisation von Genen ermöglicht es beispielsweise, wenn verschiedene Formen eines Proteins aus einem Gen synthetisiert werden können, da beim Spleißen Exons in unterschiedlichen Sequenzen fusioniert werden können.

Reis. 21. Unterschiede in der Struktur von Genen von Prokaryoten und Eukaryoten - das Bild wird vergrößert

MUTATIONEN UND MUTAGENESE

Mutation wird als dauerhafte Veränderung des Genotyps bezeichnet, dh als Veränderung der Nukleotidsequenz.

Der Prozess, der zur Mutation führt, wird genannt Mutagenese, und der Organismus alle deren Zellen die gleiche Mutation tragen Mutant.

Mutationstheorie wurde erstmals 1903 von Hugh de Vries formuliert. Seine moderne Version enthält die folgenden Bestimmungen:

1. Mutationen treten plötzlich, abrupt auf.

2. Mutationen werden von Generation zu Generation weitergegeben.

3. Mutationen können vorteilhaft, schädlich oder neutral, dominant oder rezessiv sein.

4. Die Wahrscheinlichkeit des Nachweises von Mutationen hängt von der Anzahl der untersuchten Personen ab.

5. Ähnliche Mutationen können wiederholt auftreten.

6. Mutationen sind nicht gerichtet.

Mutationen können unter dem Einfluss verschiedener Faktoren auftreten. Unterscheiden Sie zwischen Mutationen, die durch verursacht werden mutagen Auswirkungen: physikalisch (z. B. Ultraviolett oder Strahlung), chemisch (z. B. Colchicin oder reaktive Sauerstoffspezies) und biologisch (z. B. Viren). Mutationen können ebenfalls verursacht werden Replikationsfehler.

Abhängig von den Bedingungen für das Auftreten von Mutationen werden unterteilt spontan- also Mutationen, die in entstanden sind normale Bedingungen, und induziert- also Mutationen, die unter besonderen Bedingungen entstanden sind.

Mutationen können nicht nur in Kern-DNA auftreten, sondern beispielsweise auch in der DNA von Mitochondrien oder Plastiden. Dementsprechend können wir unterscheiden nuklear und zytoplasmatisch Mutationen.

Durch das Auftreten von Mutationen können oft neue Allele entstehen. Wenn das mutierte Allel das normale Allel überschreibt, wird die Mutation aufgerufen Dominant. Unterdrückt das normale Allel das mutierte, spricht man von der Mutation rezessiv. Die meisten Mutationen, die zu neuen Allelen führen, sind rezessiv.

Mutationen werden durch ihre Wirkung unterschieden adaptiv, was zu einer Erhöhung der Anpassungsfähigkeit des Organismus an die Umwelt führt, neutral die das Überleben nicht beeinträchtigen schädlich die die Anpassungsfähigkeit von Organismen an Umweltbedingungen verringern und tödlich zum Absterben des Organismus führt frühe Stufen Entwicklung.

Entsprechend den Folgen werden Mutationen unterschieden, die zu führen Verlust der Proteinfunktion, Mutationen führen zu Entstehung Das Protein hat eine neue Funktion, sowie Mutationen, die die Dosis eines Gens ändern, und dementsprechend die daraus synthetisierte Proteindosis.

Eine Mutation kann in jeder Körperzelle auftreten. Tritt eine Mutation in einer Keimzelle auf, spricht man von keimhaft(Keim oder generativ). Solche Mutationen treten nicht in dem Organismus auf, in dem sie aufgetreten sind, sondern führen zum Auftreten von Mutanten in den Nachkommen und werden vererbt, daher sind sie wichtig für Genetik und Evolution. Wenn die Mutation in einer anderen Zelle auftritt, wird sie aufgerufen somatisch. Eine solche Mutation kann sich bis zu einem gewissen Grad in dem Organismus manifestieren, in dem sie entstanden ist, beispielsweise zur Bildung von Krebstumoren führen. Eine solche Mutation wird jedoch nicht vererbt und wirkt sich nicht auf die Nachkommen aus.

Mutationen können Teile des Genoms unterschiedlicher Größe betreffen. Zuordnen genetisch, chromosomal und genomisch Mutationen.

Genmutationen

Mutationen, die auf einer Skala kleiner als ein Gen auftreten, werden als bezeichnet genetisch, oder gepunktet (gepunktet). Solche Mutationen führen zu einer Veränderung in einem oder mehreren Nukleotiden in der Sequenz. Genmutationen umfassenSubstitutionen, was zum Austausch eines Nukleotids durch ein anderes führt,Löschungen was zum Verlust eines der Nukleotide führt,Einfügungen, was zur Addition eines zusätzlichen Nukleotids an die Sequenz führt.


Reis. 23. Gen-(Punkt-)Mutationen

Je nach Wirkungsmechanismus auf das Protein werden Genmutationen unterteilt in:gleichbedeutend, die (infolge der Degeneration des genetischen Codes) nicht zu einer Veränderung der Aminosäurezusammensetzung des Proteinprodukts führen,Missense-Mutationen, die zum Austausch einer Aminosäure durch eine andere führen und die Struktur des synthetisierten Proteins beeinflussen können, obwohl sie oft unbedeutend sind,unsinnige Mutationen, was zum Austausch des codierenden Codons durch ein Stopcodon führt,Mutationen führen zu Spleißstörung:


Reis. 24. Mutationsschemata

Je nach Wirkungsmechanismus auf das Protein werden auch Mutationen isoliert, die zu führen Rahmenverschiebung Lesungen wie Einfügungen und Löschungen. Solche Mutationen wirken sich wie Nonsense-Mutationen, obwohl sie an einer Stelle im Gen auftreten, oft auf die gesamte Struktur des Proteins aus, was zu einer vollständigen Veränderung seiner Struktur führen kann.

Reis. 29. Chromosom vor und nach der Duplikation

Genomische Mutationen

Endlich, genomische Mutationen das gesamte Genom betreffen, das heißt, die Anzahl der Chromosomen ändert sich. Polyploidie wird unterschieden - eine Zunahme der Ploidie der Zelle und Aneuploidie, dh eine Änderung der Anzahl der Chromosomen, beispielsweise Trisomie (das Vorhandensein eines zusätzlichen Homologs in einem der Chromosomen) und Monosomie (das Fehlen von ein Homolog im Chromosom).

Video zum Thema DNA

DNA-REPLIKATION, RNA-CODIERUNG, PROTEINSYNTHESE

Nikitin A.V.

Probleme beim Verständnis des DNA-Codierungssystems


Ja, ich muss zugeben, dass ich mich geirrt habe. Biologen sind besorgt über die Kodierung von DNA-Informationen. Sogar mehr. Und es gibt einen technokratischen Ansatz für dieses Problem. Vielleicht nicht ganz so, wie ich es wollte, aber ... es besteht ein Interesse daran, die Wahrheit zu finden. Und das ist der Hauptpunkt.

Petr Petrovich Garyaev schickte mir seine neueste Monographie zum Studium und Verständnis, wofür ich ihm besonders dankbar bin.

Aber neben neuen Informationen tauchten auch neue Fragen auf. Ich werde versuchen, in diesem Artikel über einige von ihnen zu sprechen.

Wir schreiben zwei, eins - im Kopf ...

Wir haben bereits das unscharfe Folgen von Tripletts während der Proteintranslation bemerkt. Dieselbe Frage wird von P. P. Garyaev untersucht. Hier ein scheinbarer Widerspruch:

„Die Genauigkeit der Codierung von Protein-Aminosäuresequenzen in diesem Modell koexistiert seltsamerweise mit der doppelten Degeneration des vorgeschlagenen „Codes“ entlang der Linien überschüssiger Transfer-RNA (tRNA) im Vergleich zur Anzahl der Aminosäuren und der mehrdeutigen Codon-Anticodon-Korrespondenz nur zwei (nicht drei) Nukleotide von mRNA-Tripletts ist eine exakte Paarung mit einem Anticodon-Paar von tRNA-Nukleotiden erforderlich, und für das dritte Nukleotid erlaubt die Natur eine falsche Paarung, das sogenannte „Wobble“ (vom englischen Wort „wobble“ - Swing ) nach der Hypothese von F. Crick. Dies bedeutet, dass einige Anticodons aufgrund ihrer antiparallelen komplementären Wechselwirkung mehr als ein Codon "erkennen" können, je nachdem, welche Base sich an der 1. Position des Anticodons befindet, das der 3. Position des Nukleotids entspricht. Eine solche „Erkennung“ ist „falsch“, wenn wir dem Paradigma des genetischen Codes folgen, da nicht-kanonische Basenpaare „Adenin-Guanin“, „Uracil-Cytosin“ und andere mit energetisch ungünstigen Wasserstoffbrückenbindungen entstehen. Der „Code“, insbesondere der mitochondriale, wird so degeneriert, und die Willkür des daraus logisch folgenden Einbaus von Aminosäuren in die Peptidkette ist so groß, dass das Konzept der genetischen Codierung zu verschwinden scheint.“


Es stellt sich die Frage:

„Die Genauigkeit der Proteinsynthese ist evolutionär konservativ und hoch, aber kann sie durch diese Art des „Chiffrenschreibens“ erreicht werden, wenn „Zeichen“ (Codon) und „Bezeichnet“ (Aminosäure) nicht immer isomorph, nicht eindeutig sind? Wenn man sich an das alte Dogma des genetischen Codes hält, ist es logisch zu glauben, dass zwei verschiedene Aminosäuren, die von zwei identischen (das dritte ist nicht wichtig) mRNA-Codon-Nukleotiden codiert werden, mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die Peptidkette aufgenommen werden, d.h. zufällig. Und selbst im nicht-mitochondrialen Code gibt es sechs solcher gepaarter Mehrdeutigkeiten, mit Ausnahme von zwei weiteren für Stoppcodons (sie sind ebenfalls „Unsinn“ oder bedeutungslos). Gibt es also eine „permissive Nachsicht“ für häufige und zufällige Aminosäuresubstitutionen in der Proteinsynthese? Es ist jedoch bekannt, dass solche zufälligen Substitutionen in den meisten Fällen die negativsten Folgen für den Körper haben (Sichelanämie, Thalassämie usw.). Es gibt einen klaren Widerspruch: Die Genauigkeit (Eindeutigkeit) der „vorzeichenbezeichneten“ (Codon-Aminosäure) Beziehungen ist erforderlich, aber der von Menschen erfundene Code bietet sie nicht.“

Erläuterungen zum Wesen der Widersprüche und der vorgeschlagenen Lösung:

„Es ist ersichtlich, dass Paare unterschiedlicher Aminosäuren durch die gleichen signifikanten Dubletts von Codon-Nukleotiden verschlüsselt werden („wobble“ Nukleotide von geringer Bedeutung, laut Crick, und im Allgemeinen nicht lesbar, laut Lagerquist, Nukleotide werden in den Index verschoben). In der Sprachwissenschaft wird dieses Phänomen als Homonymie bezeichnet, wenn dieselben Wörter unterschiedliche Bedeutungen haben (z. B. die russischen Wörter „bow“, „braid“ oder die englischen „box“, „ring“ usw.). Andererseits wurden redundante unterschiedliche Codons, die dieselben Aminosäuren bezeichnen, lange Zeit als synonym angesehen.

„... Zur besseren Veranschaulichung präsentieren wir eine Tabelle des genetischen Codes, der von Lagerquist präsentiert und von ihm nach Codonfamilien neu geordnet wurde, wobei wir uns auf die ersten beiden Arbeitsnukleotide konzentrieren:

Aus Tabelle 1. es ist ersichtlich, dass dieselbe Aminosäure von vier Codonfamilien kodiert werden kann. Zum Beispiel kodiert das Vierfache der CU-Familie für Leucin. Die vier GU-Familiencodes für Valin, UC für Serin, CC für Prolin, AC für Tryptophan, GC für Alanin, CG für Arginin und GG für Glycin. Dies ist eine oberflächliche und sofort bemerkte Tatsache der Entartung, d.h. Informationsredundanz des Codes. Entlehnen wir für den Protein-Code die Begriffe und Begriffe der Linguistik, die seit langem weit und breit akzeptiert sind, dann lässt sich die Entartung des Codes als Synonym verstehen. Auch dies wurde einstimmig angenommen. Mit anderen Worten, dasselbe Objekt, beispielsweise eine Aminosäure, hat mehrere Chiffren - Codons. Die Synonymie stellt keine Gefahr für die Genauigkeit der Proteinbiosynthese dar. Im Gegenteil, eine solche Redundanz ist gut, da sie die Zuverlässigkeit der translationalen ribosomalen "Maschine" erhöht.

Ich habe ein wenig dazu beigetragen Farbvielfalt in einer Tabelle, damit Sie sehen können, wovon wir sprechen. Synonyme Quadrupel sind gelb hervorgehoben. Insgesamt gibt es 8 solcher Vierer, gleichnamige Vierer mussten je nach Diversitätsgrad in drei Kategorien eingeteilt werden. Des Weiteren:

„... Jedoch zeigt Tabelle 1 auch ein anderes, grundlegendes, genolinguistisches Phänomen, als ob es nicht bemerkt oder ignoriert würde. Dieses Phänomen wird in der Tatsache gefunden, dass in manchen Codonfamilien vier Codons, genauer gesagt ihre bedeutungsvollen identischen Nukleotidzweien, nicht eine, sondern zwei verschiedene Aminosäuren sowie Stopcodons codieren. Somit kodiert die UU-Doppelfamilie für Phenylalanin und Leucin, AU für Isoleucin und Methionin, UA für Tyrosin, Och- und Amb-Stopcodons, CA für Histidin und Glycin, AA für Asparagin und Lysin, GA für Asparagin und Glutamin, UG für Cystein , Tryptophan und Umb-Stopcodon, AG - Serin und Arginin. Um die linguistische Analogie fortzusetzen, nennen wir dieses Phänomen HOMONYMIE der ersten beiden codierenden Nukleotide in einigen Codonfamilien.

Im Gegensatz zur Synonymie ist die Homonymie potenziell gefährlich, was Lagerkvist feststellte, obwohl er das Begriffskonzept der „Homonymie“ in Bezug auf den Proteincode nicht eingeführt hat. Eine solche Situation, so scheint es, sollte tatsächlich zu Mehrdeutigkeiten bei der Kodierung von Aminosäuren und Stoppsignalen führen: Dasselbe Codon-Dublett kodiert innerhalb einiger der von Lagerquist identifizierten Familien zwei verschiedene Aminosäuren oder ist ein „unterschiedlicher Stopp“.

Grundsätzlich ist es wichtig zu verstehen: Wenn Code-Synonymie ein Segen ist (ein Übermaß an Informationen), dann ist Homonymie ein potenzielles Übel (Unsicherheit, Mehrdeutigkeit von Informationen). Dies ist jedoch ein imaginäres Übel, da der Proteinsyntheseapparat diese Schwierigkeit leicht umgeht, was weiter unten diskutiert wird. Wenn jedoch automatisch die Tabelle (Modell) des genetischen Codes befolgt wird, dann wird das Böse nicht imaginär, sondern real. Und dann ist es offensichtlich, dass der homonyme Codevektor zu Fehlern in der Proteinsynthese führt, da der ribosomale Proteinsyntheseapparat, der jedes Mal auf die eine oder andere homonyme Dublette trifft und sich an der Leseregel „zwei aus drei“ orientiert, eine und nur eine auswählen muss eine Aminosäure von zwei verschiedenen, aber von mehrdeutig identischen homonymen Dubletts kodiert.

Folglich haben die 3'-Nukleotide in Codons und die 5'-Nukleotide in Anticodons, die sich mit ihnen paaren, keinen Genzeichencharakter und spielen die Rolle von "sterischen Krücken", die "leere Stellen" in Codon-Anticodon-Paaren füllen. Kurz gesagt, die 5'-Nukleotide in den Anticodons sind zufällig, "wobble" - vom englischen "wobble" (schwingen, schwingen, wackeln). Das ist die Essenz der Wobble-Hypothese.“

Das Wesentliche ist ganz klar gesagt. Eine Übersetzung ist nicht erforderlich. Das Problem ist klar.

Stop-Codons und Start-Codons, sie sind in der Tabelle fett hervorgehoben, wirken ebenfalls nicht immer eindeutig, sondern abhängig von etwas ..., wie Biologen glauben, vom Kontext.

„Lassen Sie uns unsere Analyse der bahnbrechenden Arbeit von Crick und Nirenberg fortsetzen, die das Konzept des genetischen Codes postulieren.

S.142-143: „... bisher stimmen alle experimentellen Daten gut mit der allgemeinen Annahme überein, dass Informationen in Basentripletts gelesen werden, beginnend an einem Ende des Gens. Allerdings würden wir die gleichen Ergebnisse erhalten, wenn die Informationen in Gruppen von vier oder sogar mehr Basen gelesen würden“ oder „...Gruppen, die ein Vielfaches von drei Basen enthalten“. Dieser Satz ist fast vergessen oder nicht verstanden, aber hier kann man den Zweifel sehen, ob der Code notwendigerweise ein Triplett ist. Und es ist nicht weniger wichtig, dass das zukünftige Verständnis von DNA- und RNA-Texten als semantische fraktale Formationen, ähnlich natürlichen Sprachen, vorhergesagt wird, was in unserer Forschung demonstriert wird.“

Bei 4 verschiedenen Basen des DNA-Codesystems können Lesegruppen jeweils nur 3 oder 4 Basen umfassen. 4 Basen in Paarablesung ergeben nur 16 mögliche Kombinationen. Es reicht nicht. Aber wie viele: 3 oder 4 Basen in der Lesegruppe, lässt sich mathematisch nicht feststellen. Denn so oder so werden alle möglichen Kombinationen genutzt. Oder 64 für ein Triplett oder 256 für ein Tetraplett.

Mit einer Vergrößerung des Code-Lesebereichs um „Gruppen mit einem Vielfachen von drei Basen“ erhöht sich die Zahl der möglichen Codekombinationen ins Unendliche. Was gibt es uns nur? Wenn Sie sich auf die Codierung von Aminosäuren konzentrieren, dann ... nichts. Und mit dem Doublet-Ansatz der Biologen ist das generell in keiner Weise vereinbar.

Aber am wichtigsten ist, dass in diesem Zitat zum ersten Mal, wenn auch implizit, eine "Auslesezone" von Informationen erscheint, die keinem Triplett entspricht. Ein Drilling ist das eine, eine Lesezone das andere. Und das eine passt vielleicht nicht zum anderen. Ein sehr wichtiger Hinweis.

Tatsächlich schlägt die "Schaukel"-Theorie vor, nur die ersten beiden Basen als Codon-Lesezone zu betrachten. Diese. in diesem Fall wird vorgeschlagen zu erkennen, dass der Lesebereich kleiner ist als der Codierbereich.

Betrachten Sie nun den umgekehrten Ansatz:

„Manche mRNAs enthalten Signale, um den Leserahmen zu verändern. Einige mRNAs enthalten Terminationscodons in der translatierten Region, aber diese Codons werden erfolgreich umgangen, indem der Leserahmen vor oder direkt auf ihnen geändert wird. Der Rahmen kann sich um -1, +1 und +2 verschieben.Es gibt spezielle Signale in der mRNA, die den Leserahmen verändern. Somit tritt die Translationsrasterverschiebung um -1 auf Retrovirus-RNA an einer spezifischen Heptanukleotidsequenz vor der Haarnadelstruktur in mRNA auf (Fig. 5c). Zur Rasterverschiebung um +1 auf der mRNA des bakteriellen Terminationsfaktors RF-2 sind die Nukleotidsequenz an der Verschiebungsstelle (UGA-Codon), das nachfolgende Codon und die ihnen vorangehende Sequenz komplementär zur 3'-terminalen Sequenz der ribosomalen RNA (Analogon der Shine-Dalgarno-Folge) sind wichtig (Abb. 5, d)". .

Das Zitat wurde bereits früher zitiert, aber jetzt schauen wir uns seinen Inhalt genauer an. Was versteht man unter dem Begriff „Leserahmen“? Dies ist ein Konzept aus der grauen Antike der Computertechnik, als der Bereich zum Lesen von Informationen von einem Lochstreifen oder einer Lochkarte auf einen undurchsichtigen Rahmen beschränkt war, um das Fehlerrisiko beim Lesen von Informationen mit einem Lichtfluss zu einem Fotodetektor hindurch zu verringern Löcher in der Karte oder dem Klebeband, an den richtigen Stellen ausgestanzt, um Linien zu markieren. Das Prinzip des Lesens ist längst vorbei, aber der Begriff bleibt. Da das Konzept eines Leserahmens allen Biologen klar ist, bedeutet es offensichtlich die Lesezone von nur einer Base aus einem Triplett. Und unter „Leserahmenverschiebung“ muss verstanden werden, dass bei +1 die Basis gelesen wird, die dem letzten Element des Tripletts folgt, und –1, dass die Basis vor dem ersten Element desselben Tripletts gelesen wird. Welches Basenpaar bleibt die Basis im gelesenen Triplett? Das ist nicht angegeben...

Aber es scheint, dass nicht jeder den Leserahmen versteht, wie in diesem Fall. Wenn das Konzept eines Leserahmens als ein Rahmen verstanden wird, der 3 Basen begrenzt, dann bleibt bei einer Verschiebung von +2 von dem lesbaren Triplett 1 Element übrig und zwei von dem benachbarten.

Von welcher Art Leserahmen sprechen wir also? Na ja, okay, lass die Zweideutigkeit erstmal bleiben ...

Aber in jedem Fall werden diese Basen, die bereits vom Rahmen gelesen wurden, erneut gelesen, wenn der Rahmen an seinen Platz zurückkehrt und das Ribosom mit dem Lesen des nächsten Tripletts fortfährt ... aber was ist mit der Nichtüberlappung des Codes?

In diesem Fall berücksichtigt der mechanistische Ansatz der Biologen zur Schätzung von Änderungen in Triplett-Lesepositionen nicht die tatsächliche Größe dessen, worüber sie sprechen. Die Terminologie ist eindeutig irreführend. Wie sie das dann selbst verstehen, ist nicht klar. Offensichtlich bewegt sich kein "Frame" irgendwohin ...

Die Auswahl der gewünschten Positionen in der Lesezone bewegt sich. Und wenn wir die oben angegebenen maximalen Verschiebungen des „Leserahmens“ mit der Länge des gelesenen Codons addieren, erhalten wir: 2 + 3 + 2 = 7. Somit beträgt die Gesamtbreite der Ribosomen-Lesezone bereits 7 Basen. Das Ribosom wählt aus 7 möglichen Basen ein Triplett aus. Wie? Das ist eine andere Frage...

Aber etwas anderes ist uns wichtiger. Jetzt ist es möglich, realistisch abzuschätzen, dass die Informationslesezone von RNA größer als ein Triplett sein und 7 oder mehr Basen umfassen kann, während nur drei Basen als notwendige Lesepositionen festgelegt sind. Was sind die anderen Positionen? Vielleicht derselbe „Kontext“, der die Optionen zum Lesen des Tripletts verändert. Homonemisch nach der Terminologie von P. P. Garyaev.

Dies ist natürlich nur einer von vielen Spezialfällen, um den multilateralen Kontextbegriff zu verstehen. Aber ... zumindest erlaubt es Ihnen, etwas zu verstehen, ohne auf höhere philosophische Verallgemeinerungen zurückzugreifen. Auf einer sehr realen Ebene des mechanistischen Verständnisses.

Zum Alphabet der Zelltexte.

Die Frage ist sicherlich interessant...

Die Grundlagen der DNA als Buchstaben einer Art zellulärem Alphabet zu verstehen, wird von Biologen seit langem angenommen. Daher die Entstehung des Konzepts des semantischen Kontexts bei der Bewertung der Triplett-Codierung und die Suche nach einer sinnvollen Herangehensweise der Zelle an diese Codierung und der allmähliche Übergang zum Höheren Verstand, der dieses Buch des Lebens geschrieben hat ...

Nur jetzt, bei der genauen Angabe der Buchstaben dieses Alphabets, kommt es immer wieder zu Meinungsverschiedenheiten. Was für Briefe nehmen? Basen (A, T, C, G), daraus aufgebaute Codons oder Aminosäuren in der Zusammensetzung des bei der Translation erhaltenen Proteins?

Basen - 4, Aminosäuren - 20, Codons - 64, was sollte als Grundlage genommen werden?

Alle sprechen von der Notwendigkeit einer sprachlichen Bewertung von DNA-, RNA- und Proteinmolekülen, unabhängig vom Verständnis der Buchstaben des zellulären Alphabets. Um DNA-Informationen als semantischen Text mit einem Verständnis des Kontextes zu betrachten, der für die literarische Bewertung anwendbar ist, müssen Biologen dies verstehen. Somit wird angenommen, dass die zu untersuchende Sprache alle Attribute einer entwickelten Sprache aufweist. literarische Sprache und wir brauchen einen angemessenen Ansatz zur Bewertung seiner mehrdeutigen Aussagekraft.

Wunderbar. Und doch, wo sind die Buchstaben? Wie ist dieser literarische Text geschrieben, der so viel Aufmerksamkeit von Linguisten erfordert? Bisher im Rahmen des gleichen mechanistischen Ansatzes ...

Basen oder Nukleotide? Sieht aus wie nein. Die meisten Biologen stimmen dem zu. Es gibt nicht genug 4 Gründe für die Erstellung eines literarischen Textes. Darüber hinaus ist die Kontinuität der Sequenz in der gesamten DNA vorhanden.

Mit dem Codon als dem Buchstaben dieses Alphabets ergeben sich sofort Schwierigkeiten. Wo ist es, dieses Codon, auf DNA und RNA, wie findet man es? Das kann nur das Ribosom und dann auch nur bei direktem Kontakt. Und was sind das für zusammengesetzte Buchstaben aus Drillingen? Schwierig zu verstehen. Dennoch hat dieses Verständnis von Codons als Buchstaben des zellulären Alphabets genügend Anhänger.

Nehmen Sie Aminosäuren für Buchstaben des Alphabets? Ja, die meisten stimmen dem zu. Aber dann wird Protein zum Buch des Lebens, nicht DNA. Es gibt einen semantischen Kontext in einem Protein, aber in der DNA stellt sich heraus, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist? Oder es wird sein, aber anders, anders als Protein ...

Daher besteht die Anforderung, sowohl DNA als auch Protein vom Standpunkt des semantischen Kontexts aus zu bewerten, aber es gibt keine Klärung dessen, was und wie bewertet werden sollte.

In dieser Situation schlug P. P. Garyaev vor, auch sprachlich nicht DNA und Protein, sondern ihre holografischen volumetrischen „Porträts“ zu bewerten. Eine sehr starke Position, muss ich zugeben. Und sehr produktiv...

Aber mit dem Alphabet der Zelle, mit einem mechanistischen, bereits bekannten Ansatz, dann ist es völlig unverständlich. Ist er oder ist er gar nicht, und ist dieser Begriff nur eine Allegorie?

Biologen geben keine Klarstellungen. Wenden Sie dieses Konzept jedoch hartnäckig weiter an. Jeder - in seinem Verständnis ...

Über das ursprüngliche Kodierungssystem.

Es geht um das Original, das sich vielleicht im Stadium der Zellteilung in Prokaryoten und Eukaryoten befand. Jetzt wird es von zahlreichen Überschneidungen und Abweichungen von beiden verdeckt. Millionen Jahre der Evolution sind nicht spurlos vergangen.

Aber dennoch…

DNA war nicht immer ein Informationsspeicher, früher konnte diese Rolle von RNA übernommen werden. Irgendwann hat sie das Protein komplett ersetzt. Davon sprechen zahlreiche Studien. Und die Basen von DNA und RNA waren nicht immer 4, aber darüber reden wir jetzt nicht ...

Aber irgendwann in der Entwicklung tauchte ein Informationskodierungssystem auf, das damals alle Anforderungen an die informationelle und logische Struktur zur Steuerung von Zellprozessen vollständig erfüllte.

Derselbe Klassiker, auf den jeder hinweist und der sofort zu widerlegen beginnt ...

Informationsfeld - DNA, RNA. Eine Sequenz, die aus einer Kombination von 4 Nukleotiden besteht: A,T(U),C,G.

Der Informationsleseschritt beträgt 1 Nukleotid.

Das Verfahren zum Lesen von Informationen ist sequentiell.

Das Volumen einer einzelnen Lesung ist ein Triplett.

Kein logisches System kann zählen. Aber hier kann sie bis eins zählen. Das ist schon weiter - viel. Und unterscheiden verschiedene Einheiten in zwei benachbarten Paaren - auch. Und wenn die Symmetrieachse real ist, dann ist sie durchaus in der Lage, die logischen Zustände benachbarter Positionen relativ zu einer solchen Achse zu bestimmen. Aber es war anscheinend sehr schwierig, die Lesezone weiter zu vergrößern, ohne zu diesem Zeitpunkt zu zählen.

Und deshalb in diesem Stadium - ein Triplett ist die maximal mögliche Form einer Systeminformationseinheit. Eine Entladung auf der Symmetrieachse, eine Entladung rechts und eine Entladung links.

Drei verschiedene Rechnungseinheiten ... sogar für Schrittzahlen ... das ist viel.

Das DNA- und RNA-Informationscodierungssystem verwendet 4 mögliche logische Zustände, Triplett-Lesen. Die Komplexität für die Zelle ist extrem.

Wie beweist man den Triplet-Code? Das habe ich immer wieder gezeigt. Schreiben wir noch einmal: Basen - 4, Aminosäuren - 20, Codons oder Tripletts - 64.

Mathe ist einfach: 64/3 = 21

Eine solche Anzahl nicht überlappender Tripletts kann mit einem Fixierungsschritt durch eine Base erhalten werden. Es gibt 20 Aminosäuretripletts und ein STOP-Codon.

Andererseits: 4 3 \u003d 64, das sind die gleichen 21x3 \u003d 63, das sind 60 Kombinationen von Tripletts, 3 Stoppcodons und ein Startcodon, das den Variationssatz schließt. Es ist nur Mathematik, aber ... es zeigt, dass ursprünglich drei Basen hintereinander gelesen wurden - ein Codon in einem Schritt von 1 Base. Dies bestimmte die Menge der verwendeten Aminosäuren - 20. Also immerhin - ein Triplett.

In diesem Fall ist die Entartung des Aminosäurecodes im Triplett verständlich. Es entstand aus Codeüberlappung.

Wir missverstehen die Entstehung der Codon-Degeneration. Dies ist keine Erweiterung der Fähigkeiten des Systems zur Codierung von Informationen, sondern „Fehler seiner Vergangenheit“. Dies ist ein Echo des ursprünglichen Codierungssystems…

Informationen zum Thema:

«С.153: «... eine Aminosäure ist durch mehrere Codons verschlüsselt. Einen solchen Code nennt man degeneriert... diese Art der Entartung bedeutet keine Unsicherheit im Aufbau des Proteinmoleküls... es bedeutet lediglich, dass mit Hilfe einer bestimmten Aminosäure an die richtige Stelle in der Proteinkette dirigiert werden kann aus mehreren Codewörtern.

Um eine beliebige Aminosäure in DNA-Basen zu codieren, reicht natürlich ein codierendes Triplett aus. Vor allem bei nicht überlappender Codierung. Wiederholen Sie ein Codon beliebig oft und erhalten Sie so viele Moleküle der gewünschten Aminosäure im Protein. Leicht, einfach, verständlich und der Energieverbrauch ist minimal.

Die Entartung des Triplet-Codes ist eine erzwungene Maßnahme, die direkt mit der ursprünglichen Art des Lesens des Codes zusammenhängt. Das ist im Laufe der Evolution passiert.

Der Mechanismus für das Auftreten von Code-Entartung sieht folgendermaßen aus:

Bei einem Schritt des Lesens von Tripletts von 1 Base ändert sich nur ein Vorzeichen des Tripletts für jeden Schritt, und zwei Vorzeichen des Tripletts bleiben konstant. Nur synchron verschiebt ihre Positionen. Bei zwei Schritten bleibt die Information nur eines Zeichens des Tripletts unverändert, aber es durchläuft sequentiell alle Anzeigepositionen.

Warum brauchen wir das?

Bei 3 Codierzeichen werden bei jedem Schritt 2 Zeichen wiederholt. Und nur einer ändert sich. Im nächsten Schritt ändert sich auch das zweite Vorzeichen. Und ein Zeichen wird auf dem zurückgelegten Weg unverändert bleiben. Ein vollständiger Vorzeichenwechsel erfolgt erst nach dem dritten Schritt. Nur hat die neue Kombination des Tripletts jetzt nicht die Wirkung der vorherigen Kombinationen.

Bei einem Triplettschritt hängt jedes neue Triplett in der Formation nicht vom vorherigen ab, aber ... ein solcher Schritt für ein solches Lesesystem war damals unmöglich.

Und die gebildeten DNA-Triplets erwiesen sich beim Lesen als voneinander abhängig.

Ein solch reibungsloser Übergang von einem Triplett in ein anderes führt zu einer Einschränkung der Fähigkeit, alle Permutationen im Triplett schnell zu verwenden. Für die mögliche Verwendung aller 64 Varianten des Tripletts sind 64 * 3 = 192 Einzelschritte zum Lesen von DNA-Tripletts erforderlich. Und umgekehrt, von 64 Leseschritten möglicher Kombinationen mit sequentiellem schrittweisen Lesen aller Codons, vom ersten bis zum 64., gibt es 42 Wiederholungen, und es gibt nicht mehr als 1/3 = 21 eindeutige Kombinationen. Und noch 1/3….

Hier ist die Antwort, warum es nur 20 Aminosäuren gibt, es könnten mehr sein, aber das System zum Codieren und Lesen von Informationen lässt es nicht zu.

Also begann die Zelle, zusätzliche Codes aus den verfügbaren 42 Wiederholungen zu verwenden. Sonst könnte sie das nicht, weil Leerzeichen in der Übersetzung nicht erlaubt sind. Es gibt einen Code - jeder, und das Ribosom muss die Übersetzungsoperation durchführen. Übergangsvarianten von einem unabhängigen Triplett-Code zu einem anderen begannen schnell, die gleichen 20 Aminosäuren zu besetzen, jedoch abhängig von der Häufigkeit der Verwendung. Für einen -6 Codes und den anderen und einen reicht es aus. Wir registrieren dies als Code-Entartung.

Es ist klar, dass die Verwendung von abhängigen Codons die Basis von Transport-tRNAs hätte erweitern sollen. Und so geschah es. In einem Full-Scale-System muss die Anzahl der mRNA-Codons mit der Anzahl der Anticodons pro tRNA übereinstimmen. Eine große Anzahl von tRNAs weist also nur darauf hin, dass das System ursprünglich auf diese Weise entstanden ist.

Wie wir sehen können, ist das anfängliche oder ursprüngliche Codierungssystem im Stadium des Auftretens von 4 Nukleotiden in der DNA deutlich sichtbar. Weitere Schichtungen späterer evolutionärer Prozesse sind bereits gegangen. Und heute haben wir... was wir haben.

Anfängliche Basiscodes von Aminosäuren.

Wenn Sie andererseits diesem Weg folgen, können Sie aus 64 möglichen Kombinationen etwa 21 Kombinationen auswählen und diese als Hauptkombinationen anwenden. Aber was?

Wie könnte eine Zelle wählen? Die einfachste Antwort ist nach der maximalen Symmetrie des Tripletts.

Wenden wir bei der Suche nach den richtigen Kombinationen das Prinzip der Symmetrie an und überprüfen, wie richtig wir die natürliche Codierung von Aminosäuren in der DNA verstehen. Dazu sammeln wir alle Varianten symmetrischer Codes in Tabelle 2. Hervorragendes Ergebnis ..., 15 von 16 möglichen Aminosäuren erhielten symmetrische Codes.

Aber es gibt immer noch 5 Aminosäuren und STOP.

Anscheinend ging die Natur den gleichen Weg, ... und stolperte an der gleichen Stelle. Alle symmetrischen Optionen wurden genutzt, es gibt keinen Spielraum für die Erweiterung des Systems und es gibt nicht genügend Codes. Was war die nächste Möglichkeit, die sie nutzte, um weiter nach den Codes zu suchen?

Jetzt Wiederholungen und ein zusätzliches Element ...

Es gibt. CAA, AAC, UGG, und hier ist es das Hauptstoppcodon - UAA.

Nur noch zwei Codons müssen gefunden werden...

GAC und AUG. Letzteres wurde zum Startcodon...

Und die Gesamtzahl der in DNA und RNA verwendeten Grundkombinationen betrug 21. Tabelle 2 gibt den Suchpfad für die Hauptcodebezeichnungen wieder.

Aber auch hier zeigt die evolutionäre Entwicklungslogik ein interessantes Beispiel. Nur vollständige Symmetrien wurden bis zum Ende und sofort verwendet. Die restlichen Optionen wurden nicht sofort und nicht vollständig genutzt. Zum Beispiel wird für die Aminosäure Gly das Hauptcodon GGG verwendet und dann wird GGU hinzugefügt, aus einer ungenutzten Reserve ...

Die geschaffenen Codierungsreserven wirkten bis zuletzt. Heute sind alle Reserven längst aufgebraucht und es ist an der Zeit, Funktionen wo möglich zu bündeln. Zum Beispiel für das Startcodon. Die Suche nach neuen Möglichkeiten, die Möglichkeiten der Triplett-Codierung zu erweitern, begann. Aminosäuren in RNA. Das war vielleicht so etwas wie die Auswahl der wichtigsten Codes. Durch Symmetrie und einfache Permutationen ...

Tabelle 2

Die Logik der Handlungen ist klar. Vielleicht haben wir einen Fehler in der Reihenfolge der Aktionen gemacht, aber das ist noch nicht so wichtig. Natürlich sind dies nur meine Variationen zum Thema, Profis wissen es wahrscheinlich besser, so oder so war alles in der Realität, aber trotzdem ... es stellte sich als interessant heraus.

Komm nicht über die Runden...

Seltsame ... symmetrische Codes können nur mit Triplet-Lesung verwendet werden, keine Überlappung. Dieser Punkt lässt uns die obige Mathematik noch einmal betrachten, um 20 Aminosäuren zur Verwendung in der Triplett-Codierung zu erhalten. Offensichtlich passt das eine nicht zum anderen.

Die Mathematik zeigt die objektive Realität der Element-für-Element-Bewegung des Ribosoms entlang der RNA. Aber eine so breite Verwendung von Symmetrien bei der Codierung von Aminosäuren kann auch kein Zufall sein und weist auf Tripletts mit unabhängiger Lesbarkeit hin.

Es ist möglich, dass das Element-für-Element-Lesen von RNA-Informationen vor der Triplett-Codierung und für einige Zeit zusammen mit dem Auftreten von Tripletts existierte. Es bestimmt die Menge der verwendeten Aminosäuren.

Aber irgendwann gab es einen Entwicklungssprung. Das Codiersystem wurde komplett überarbeitet. Das Triplett-unabhängige Lesen machte es notwendig, die verwendeten Aminosäuren entsprechend den Symmetriezeichen neu zu codieren. Aber die Evolution weiß nicht, wie man alte Optionen verwirft ...

Zusätzliche Codes existieren bereits, wir mussten sie je nach Häufigkeit ihrer Verwendung nach Aminosäuren umverteilen.

Und es entstand ein paradoxes Bild. Die Ablesung scheint sich nicht zu überlappen, und ein Codon reicht aus, um eine Aminosäure zu codieren, und alle 64 Varianten wurden verwendet. Die potentielle Redundanz der Codierung wird durch die Entartung der Codes abgedeckt. Geschätzte Reserve ist, aber in der Tat - nein. Wie es dazu kam, haben wir bereits gesehen.

Höchstwahrscheinlich war ein Faktor in der Überarbeitung des Systems schnelle Entwicklung Zellribosomen. Letztlich bestimmen sie das gesamte Kodierungssystem und dessen Anwendung im zellulären Organismus.

Es ist davon auszugehen, dass die Informationslesezone des Ribosoms längst drei Zeichen überschritten hat und diese Grenzen weit überschritten hat. Nun ist es möglich, die Information des gewünschten Codons innerhalb einer großen Informationslesezone auszuwählen und zu speichern. Dadurch war es möglich, das Ribosom mit einem Element-für-Element-Schritt zu verlassen, aber auch die Möglichkeit des Triplett-Lesens in einem unabhängigen Modus wurde implementiert. Das Ribosom hat irgendwo ein Arbeitsgedächtnis.

Die Informationslesezone für das Ribosom hat, wie wir sehen, sogar in Prokaryoten 7 Nukleotide erreicht. Und das ist nicht die Grenze. Wenn wir davon ausgehen, dass Ribosomen zwei Übersetzungs- oder Informationslesezentren haben, dann hat ihre gesamte Informationslesezone um ein Ribosom bereits 14 Nukleotide erreicht. Einige Abschnitte von Codes werden als Tripletts genommen, und der Rest ist Kontext ...

Und jetzt…

Und jetzt ist alles völlig durcheinander. Laut Biologen liegt die Punktzahl in Drillingen, obwohl niemand erklärt, wie das passiert. Der nächste Kontext wird ignoriert. Der Vergleich der RNA-Codesequenz und des davon abgeleiteten Proteins ist eine sehr schwierige Aufgabe, und es ist anscheinend unmöglich, eindeutig zu verstehen, wie sich das System verändert hat und was bei der Übersetzung berücksichtigt wird.

Darüber hinaus konzentrieren sich Biologen nicht auf die Systematisierung, sondern darauf, Abweichungen vom System zu finden, wodurch sie die ohnehin schon große Vielfalt an Fakten vergrößern und sich selbst ein rätselhaftes Puzzle erstellen. Die Verwirrung wird durch die vollständige Vermischung verschiedener Abweichungen in den Mechanismen des Lesens von Tripletts von Prokaryoten und Eukaryoten zu einem großen Kreuzworträtsel ergänzt ... wo sie selbst verwirrt zu sein scheinen.

Wieso den? Sie haben andere Aufgaben. Sie arbeiten mit biologischen Objekten, wie es in ihrer Wissenschaft üblich ist. Daher spiegeln sich die Schlussfolgerungen zu den Fragen der RNA-Codierung in der Theorie des "Swing" wider und nicht im System der Prinzipien zum Lesen von Informationen und der Codierungstheorie. Sie können verstanden werden, aber es muss ein Ausweg gefunden werden ...

Der technokratische Ansatz, den die Biologen selbst für das Problem des Verständnisses der DNA-Codierung vorgeschlagen haben, hat seine Möglichkeiten noch nicht erschöpft. Tatsächlich wurde es bisher nicht wirklich genutzt. Es wurde nur die Terminologie verwendet, nicht die Herangehensweise.

Vielleicht ist es an der Zeit, die maschinelle Analyse von DNA-Sequenzen anzuwenden und dabei die erweiterte Zone des Informationslesens in Bezug auf das codierende Triplett zu berücksichtigen. Dann wird der Wirkmechanismus des dem Lesetriplett am nächsten liegenden kodierenden Kontextes und möglicherweise auch die vom Ribosom eingeprägten Programmierelemente des Proteintranslationsprozesses deutlich. Eine solche Analyse ist besonders wichtig für die Untersuchung untranslatierter Regionen von RNA und DNA. Da ist bereits klar, dass es sich um Softwareelemente des Codiersystems handelt. Alle Prozesse hängen von ihnen ab, einschließlich der Proteintranslation. Der Name "Müll" ähnelt ihnen offensichtlich in keiner Weise ...

Ja, und strategisch gesehen kann es in Arrays keinen "Müll" geben wichtige Informationen in DNA gespeichert. Das kann sich kein Informationssystem leisten.

Der aktuelle Entwicklungsstand der Computertechnik ermöglicht es, diese Probleme zu lösen. Bauen Sie ein Informationsmanagementsystem in der Zellstruktur auf, klären Sie Kommunikationswege, richten Sie Schlüsselsteuerungen und ein Signalsystem ein. Dann wird zumindest ein ungefährer technischer Aufwand dieses Steuerungssystems deutlich. Bisher ist nur klar, dass das Ribosom dabei eine Schlüsselrolle spielt, aber wie technisch komplex ist dieser universelle zelluläre Automat? Wie sieht die technische Komplexität der anderen Exekutivmechanismen der Zelle vor ihrem Hintergrund aus?

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Literatur:

  1. Garyaev P.P. Tertyschny G.G. Leonova E.A. Mologin A.V. Wave-Biocomputer-Funktionen der DNA. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157645&s
  2. Nikitin A.V., Lesen und Verarbeiten von DNA-Informationen // "Academy of Trinitarianism", M., El Nr. 77-6567, Publ. 16147, 08.11.2010

Nikitin A.V., Probleme des Verständnisses des DNA-Codierungssystems // "Academy of Trinitarianism", M., El Nr. 77-6567, Publ. 16181, 27.11.2010


Jeder lebende Organismus hat einen speziellen Satz von Proteinen. Bestimmte Verbindungen von Nukleotiden und deren Abfolge im DNA-Molekül bilden den genetischen Code. Es vermittelt Informationen über die Struktur des Proteins. In der Genetik hat man sich ein bestimmtes Konzept zu eigen gemacht. Ihr zufolge entsprach ein Gen einem Enzym (Polypeptid). Es sollte gesagt werden, dass die Forschung an Nukleinsäuren und Proteinen schon seit ziemlich langer Zeit durchgeführt wird. Weiter unten in diesem Artikel werden wir uns den genetischen Code und seine Eigenschaften genauer ansehen. Eine kurze Chronologie der Forschung wird ebenfalls gegeben.

Terminologie

Der genetische Code ist eine Möglichkeit, die Aminosäureproteinsequenz unter Verwendung der Nukleotidsequenz zu codieren. Diese Art der Informationsbildung ist charakteristisch für alle lebenden Organismen. Proteine ​​sind natürliche organische Substanzen mit hohem Molekulargewicht. Diese Verbindungen sind auch in lebenden Organismen vorhanden. 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 Ketten von Aminosäuren im Protein.

DNA und RNA

Desoxyribonukleinsäure ist ein Makromolekül. Sie ist verantwortlich für die Übertragung, Speicherung und Umsetzung von Erbinformationen. DNA verwendet vier stickstoffhaltige Basen. Dazu gehören Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin. RNA besteht aus den gleichen Nukleotiden, außer demjenigen, das Thymin enthält. Stattdessen ist ein Uracil (U) enthaltendes Nukleotid vorhanden. RNA- und DNA-Moleküle sind Nukleotidketten. Dank dieser Struktur werden Sequenzen gebildet - das "genetische Alphabet".

Umsetzung von Informationen

Die Synthese eines von einem Gen codierten Proteins wird durch die Kombination von mRNA auf einer DNA-Matrize (Transkription) realisiert. Es findet auch eine Übertragung des genetischen Codes in eine Abfolge von Aminosäuren statt. Das heißt, die Synthese der Polypeptidkette auf mRNA findet statt. Um alle Aminosäuren zu kodieren und das Ende der Proteinsequenz zu signalisieren, reichen 3 Nukleotide aus. Diese Kette wird Triplett genannt.

Forschungsgeschichte

Die Untersuchung von Protein und Nukleinsäuren wurde durchgeführt lange Zeit. Mitte des 20. Jahrhunderts tauchten schließlich die ersten Ideen über die Natur des genetischen Codes auf. 1953 wurde festgestellt, dass einige Proteine ​​aus Sequenzen von Aminosäuren bestehen. Ihre genaue Zahl konnten sie damals zwar noch nicht ermitteln, darüber gab es zahlreiche Streitigkeiten. 1953 veröffentlichten Watson und Crick zwei Artikel. Der erste erklärte die Sekundärstruktur der DNA, der zweite sprach von ihrer zulässigen Vervielfältigung mittels Matrixsynthese. Außerdem wurde betont, dass eine bestimmte Basenfolge ein Code ist, der Erbinformationen trägt. Amerikanische und Sowjetischer Physiker Georgy Gamov gab die Codierungshypothese zu und fand eine Methode, um sie zu testen. 1954 wurde seine Arbeit veröffentlicht, in der er einen Vorschlag unterbreitete, Korrespondenzen zwischen Aminosäureseitenketten und rautenförmigen "Löchern" herzustellen und diese als Codierungsmechanismus zu verwenden. Dann hieß es rhombisch. Gamow erklärte seine Arbeit und gab zu, dass der genetische Code ein Triplett sein könnte. Die Arbeit eines Physikers war eine der ersten unter denen, die als wahrheitsnah angesehen wurden.

Einstufung

Nach mehreren Jahren wurden verschiedene Modelle genetischer Codes vorgeschlagen, die zwei Typen darstellen: überlappend und nicht überlappend. Die erste basierte auf dem Vorkommen eines Nukleotids in der Zusammensetzung mehrerer Codons. Dazu gehört der dreieckige, sequentielle und Dur-Moll-Gencode. Das zweite Modell geht von zwei Typen aus. Nicht überlappend sind Kombinationen und "Code ohne Kommas". Die erste Variante basiert auf der Kodierung einer Aminosäure durch Nukleotidtripletts, und ihre Zusammensetzung ist die wichtigste. Gemäß dem „No-Comma-Code“ entsprechen bestimmte Tripletts Aminosäuren, der Rest nicht. In diesem Fall wurde angenommen, dass sich andere, die sich in einem anderen Leseraster befinden, als unnötig erweisen würden, wenn signifikante Tripletts sequentiell angeordnet würden. Die Wissenschaftler glaubten, dass es möglich sei, eine Nukleotidsequenz auszuwählen, die diese Anforderungen erfüllt, und dass es genau 20 Tripletts gibt.

Obwohl Gamow et al. dieses Modell in Frage stellten, wurde es in den nächsten fünf Jahren als das korrektste angesehen. Zu Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts tauchten neue Daten auf, die es ermöglichten, einige Mängel im "Code ohne Kommas" zu erkennen. Es wurde festgestellt, dass Codons in der Lage sind, die Proteinsynthese in vitro zu induzieren. Näher an 1965 verstanden sie das Prinzip aller 64 Drillinge. Als Ergebnis wurde eine Redundanz einiger Codons gefunden. Mit anderen Worten, die Sequenz von Aminosäuren wird von mehreren Tripletts kodiert.

Unterscheidungsmerkmale

Zu den Eigenschaften des genetischen Codes gehören:

Variationen

Die Abweichung des genetischen Codes vom Standard wurde erstmals 1979 bei der Untersuchung von mitochondrialen Genen im menschlichen Körper entdeckt. Weitere ähnliche Varianten wurden identifiziert, darunter viele alternative mitochondriale Codes. Dazu gehört die Entschlüsselung des Stopcodons UGA, das als Definition von Tryptophan in Mycoplasmen verwendet wird. GUG und UUG in Archaeen und Bakterien werden oft als Ausgangsvarianten verwendet. Manchmal codieren Gene für ein Protein ab einem Startcodon, das sich von dem unterscheidet, das normalerweise von dieser Art verwendet wird. Außerdem werden in einigen Proteinen Selenocystein und Pyrrolysin, die nicht standardmäßige Aminosäuren sind, vom Ribosom eingefügt. Sie liest das Stoppcodon. Es hängt von den in der mRNA gefundenen Sequenzen ab. Derzeit gilt Selenocystein als 21., Pyrrolizan als 22. in Proteinen vorhandene Aminosäure.

Allgemeine Merkmale des genetischen Codes

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

Zeichen des Körpers, die mit bestimmten Proteinen verbunden sind. Proteine ​​bestehen aus Aminosäuren. Erbinformationen über Proteine ​​sind in der DNA gespeichert, die aus Nukleotiden besteht. Es stellten sich Fragen: 1) wie Erbinformationen über Proteine ​​in der DNA kodiert sind. 1961 wurde ein Gen-Code-Prinzip geschaffen, um die Vererbungsinformationen über das letzte Amin-t im Protein bis zum letzten der DNA-Nukleotide aufzuzeichnen. St-va-Code-Gen: 1) Triplett ist die Position eines Amii – Sie werden durch eine Kombination von 3 Nukleotiden codiert (eine Kombination von 3 Nukleotiden – Triplett, Codon). 64 mögliche Tripletts sind bekannt und 3 davon tragen keine semantische Last und sind es Stoppcodons: UAA, UAG, UGA. 2) DEGENERITÄT – Position 1 des Amin-You kann durch mehrere Tripletts oder Codons kodiert werden. 3) GENCODE WIRD INNERHALB EINES GENS NICHT ÜBERSCHLECKT. d.h. 1 Nukleotid kann nicht gleichzeitig 2 Tripletts entsprechen. 4) GENETISCHER CODE OHNE KOMMA, d.h. es gibt keine freien Nukleotide zwischen den Tripletts. 5) DER GENETISCHE CODE IST UNIVERSAL, dh er ist für verschiedene Organisationen gleich 6) STABIL, dh er ändert sich nicht über mehrere Generationen. Verwenden Sie bei der Charakterisierung des Gencodes das Konzept der Komplementarität, d. h. die vollständige Entsprechung der Sequenz von amii-t im Protein, der Sequenz des DNA-Nukleotids. Die Implementierung folgt in der Zelle auf inf. In eukaryotischen Zellen befindet sich fast die gesamte DNA im Zellkern. Die Proteinsynthese hat ihren Ursprung im Zytoplasma, was bedeutet, dass es einen Vermittler geben muss, der das inf-Gen vom Zellkern in das Zytoplasma überträgt. Zwischenmolekül i-RNA. Die Umsetzung der Vererbung inf besteht aus 2 Prozessen 1) Transkription - die Synthese von RNA-Molekülen auf DNA, wie auf einer Matrix. 2) Translation-Translation der letzten Nukleotide in eine Aminosäuresequenz.

29) Implementierung biologischer Information in der Zelle Transkription Posttranskriptionelle Prozesse. Spleißphänomen. Übertragung biologischer Informationen auf Proteine ​​(Translation). In einer eukaryotischen Zelle befindet sich fast die gesamte DNA im Zellkern, die Proteinsynthese erfolgt im Zytoplasma an Ribosomen. Das bedeutet, dass es einen Vermittler gibt, der Erbinformationen vom Zellkern ins Zytoplasma überträgt, nämlich das mRNA-Molekül. Die Mechanismen für die Implementierung von Erbinformationen in einer Zelle bestehen also aus den Prozessen der Transkription und Translation, die auch während der aktiven Arbeit von Genen stattfinden. Transkription- dies ist die Synthese eines RNA-Moleküls auf DNA, wie auf einer Matrix, ein komplexer enzymatischer Prozess, der den Verbrauch von ATP-Energie erfordert. Abschnitt 1 der DNA-Kette ist eine Vorlage für die Synthese von RNA-Molekülen. Die Synthese erfolgt aus freien Nukleotiden und basiert auf dem Prinzip der Komplementarität. Das Hauptsyntheseenzym ist die RNA-Polymerase. In einer prokaryotischen Zelle gibt es eine Art dieses Enzyms. Es gibt 3 Arten dieses Enzyms in einer eukaryotischen Zelle: 1) RNA-Polymerase1 - ist für die Synthese von rRNA verantwortlich 2) RNA-Polymerase2 - für die Synthese von i-RNA 3) RNA-Polymerase3 ist insbesondere für alle kleinen RNA-Moleküle verantwortlich für t-RNA und einige Arten von rRNA mit niedrigem Molekulargewicht. Der Transkriptionsprozess besteht aus 3 Phasen: Initiation (Anfang); Dehnung (Verlängerung); Beendigung (Ende). In der ersten Stufe erkennt das Enzym RNA-Polymerase eine bestimmte Sequenz von Nukleotiden vor dem Gen. Dieses letzte der Nukleotide wird genannt Pronator . Nachdem der Pronator erkannt wurde, wird die RNA-Polymerase darauf fixiert. Dadurch wird die DNA-Doppelhelix abgewickelt. Der Bereich, der dem gegebenen Gen entspricht, wird frei. Abschnitt 1 der Schaltung DNS wurde zu einer Matrix für die Synthese von Molly-RNA. Während der zweiten Stufe bewegt sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Segments und synthetisiert die mol-lu-RNA in Richtung 5 "-3". Stufe 3: Die Synthese von RNA wird fortgesetzt, bis die RNA-Polymerase ein bestimmtes letztes Nukleotid am Ende des Gens erreicht hat. Diese Nukleotidsequenzen werden Transkriptionsterminationssignal oder Stoppsignal genannt. Hier endet die Transkription. Schlussfolgerung: Während der Transkription wird das primäre Transkript von mRNA, r-RNA, t-RNA synthetisiert.



Primärtranskript von i-RNA. In einer prokaryotischen Zelle wird sofort ein reifes RNA-Molekül synthetisiert, das zu einer Matrize für die Synthese eines Proteinmoleküls wird. In einer eukaryontischen Zelle wird ein unreifes mRNA-Molekül synthetisiert, das als pro-i-RNA bezeichnet wird. Dann, im Kern, am Ende der Transkription, erfolgt die Reifung im Kern - die Verarbeitung. Es umfasst 3 Stufen: 1) Verschließen. Ein chemisch modifiziertes Nukleotid, Methylguanosyl, ist an das 5'-Ende des pro-mRNA-Moleküls gebunden. Eine Kappenstruktur wird gebildet. Diese Struktur erleichtert weiter die Bindung der mRNA an das Ribosom. 2) Polyadenylierung. Am 3'-Ende der pro-i-RNA sind 100-200 Adenylnukleotide angehängt. Es entsteht eine polyadenylierte Stelle, die das mRNA-Molekül stabilisiert und dessen Freisetzung aus dem Zellkern in das Zytoplasma fördert.

3) Spleißen. In der Mol-le enthält i-RNA Exons und Introns. Spleißen ist das Entfernen von Introns aus einem pro-mRNA-Molekül und das Verbinden von Exons mit Hilfe von Ligasen. Als Ergebnis der Prozessierung entsteht eine reife -RNA, die in ihrer Länge 1/10 des Primärtranskripts entspricht. Dann geht diese RNA in das Zytoplasma, dann verlassen nur 3-5% den Kern und der Rest wird darin zerstört. Übertragung . Für die Proteinbiosynthese notwendige Komponenten: Amium, t-RNA, RNA, Ribosomen, ATP, Enzyme. Broadcast-Lager von 3 Stufen: Initiierung, Verlängerung, Beendigung. Einleitung : Es entsteht ein Komplex aus i-RNA und Ribosomen. Dies wird durch den Capu-Abschnitt der i-RNA erleichtert. An diesen Komplex nähert sich der erste t-RNA-Initiator. t-RIK erkennt mit seinem Anticodon das Initiationscodon in i-RNA-AUG (Mitionin). In einer eukaryontischen Zelle ist die erste Aminosäure der Polypeptidkette Methionin. Am Ende der Proteinbiosynthese kann diese Aminosäure aus der Polypeptidkette entfernt werden. Verlängerung : im Ribosom ein funktionelles Zentrum aus 2 Stellen: a-Abschnitt (Aminosäure-t-RNA-Bindungsstelle, an diese Stelle kommt t-RNA mit einer Aminosäure, also Aminoacyl-t-RNA), b) Stelle (die t-RNA-Peptid ist mit h-to verbunden, in diesem Bereich gibt es eine mit dem Peptid assoziierte t-RNA - Pepidyl-t-RNA). Die Verlängerung der Proteinkette ist mit der Funktion dieser Stellen verbunden. Angenommen, eine bestimmte Peptidkette wurde bereits synthetisiert, befindet sich der Peptidyl-t-RNA-Komplex in der P-Stelle des Ribosoms. Die tRNA mit der Aminosäure kommt an der A-Stelle des Ribosoms an. Ist das tRNA-Anticodon komplementär zum mRNA-Codon, dann verbleibt diese tRNA mit der Aminosäure an der A-Stelle. Enzyme des Ribosoms brechen die Bindung zwischen t-RNA und dem in der P-Stelle befindlichen Peptid, freie t-RNA verlässt die P-Stelle. Andere Enzyme der Ribosomen - Transferasen bauen eine Peptidbindung zwischen dem Peptid und der Aminosäure auf, die sich in der A-Stelle des Ribosoms befindet. So wird die Peptidkette um eine Aminosäure verlängert. Das Ribosom macht einen Schritt, der 3 Nukleotiden entlang des mRNA-Moleküls entspricht, der tRNA-Peptid-Komplex bewegt sich von der A-Stelle zur P-Stelle, während die A-Stelle frei und bereit ist, eine neue tRNA mit einer Aminosäure aufzunehmen. Beendigung – die Verlängerung der Polypeptidkette geht weiter, bis die A-Stelle des Ribosoms eines der Stoppcodons erreicht; keine einzige Aminosäure entspricht ihnen, und dies ist das Ende der Bekle-Biosynthese, die Polypeptidkette, das i-RNA-Molekül wird freigesetzt, und das Ribosom zerfällt in Untereinheiten. Benötigt eine Zelle eine große Menge dieses Proteins, dann bildet sich ein Komplex aus mehreren Ribosomen und mRNA - Polysom.