Im genetischen Code entsprechen sich die einzelnen Aminosäuretypen. Code im Code: Zweiter genetischer Code enthüllt

Durch den Transkriptionsprozess in der Zelle werden Informationen von der DNA auf das Protein übertragen: DNA – mRNA – Protein. Die in DNA und mRNA enthaltene genetische Information ist in der Nukleotidsequenz der Moleküle enthalten. Wie werden Informationen von der „Sprache“ der Nukleotide auf die „Sprache“ der Aminosäuren übertragen? Diese Übersetzung erfolgt mithilfe des genetischen Codes. Ein Code oder eine Chiffre ist ein Symbolsystem zur Übersetzung einer Informationsform in eine andere. Der genetische Code ist ein System zum Aufzeichnen von Informationen über die Aminosäuresequenz in Proteinen unter Verwendung der Nukleotidsequenz in der Boten-RNA. Wie wichtig genau die Reihenfolge der Anordnung gleicher Elemente (vier Nukleotide in der RNA) für das Verständnis und die Bewahrung der Bedeutung von Informationen ist, lässt sich an einem einfachen Beispiel erkennen: Durch die Neuanordnung der Buchstaben im Wortcode erhalten wir ein Wort mit einem anderen Bedeutung - Doc. Welche Eigenschaften hat es? genetischer Code?

1. Der Code ist Triplett. RNA besteht aus 4 Nukleotiden: A, G, C, U. Wenn wir versuchen würden, eine Aminosäure mit einem Nukleotid zu bezeichnen, würden 16 von 20 Aminosäuren unverschlüsselt bleiben. Ein aus zwei Buchstaben bestehender Code würde 16 Aminosäuren verschlüsseln (aus vier Nukleotiden können 16 verschiedene Kombinationen gebildet werden, von denen jede zwei Nukleotide enthält). Die Natur hat einen aus drei Buchstaben oder Tripletten bestehenden Code geschaffen. Das bedeutet, dass jede der 20 Aminosäuren durch eine Sequenz aus drei Nukleotiden kodiert wird, die als Triplett oder Codon bezeichnet wird. Aus 4 Nukleotiden können Sie 64 verschiedene Kombinationen von jeweils 3 Nukleotiden erstellen (4*4*4=64). Das ist mehr als genug, um 20 Aminosäuren zu kodieren, und 44 Codons scheinen überflüssig zu sein. Dies ist jedoch nicht der Fall.

2. Der Code ist degeneriert. Das bedeutet, dass jede Aminosäure durch mehr als ein Codon (von zwei bis sechs) verschlüsselt ist. Ausnahmen bilden die Aminosäuren Methionin und Tryptophan, die jeweils nur durch ein Triplett kodiert werden. (Dies ist in der genetischen Codetabelle zu sehen.) Die Tatsache, dass Methionin durch ein einzelnes OUT-Triplett kodiert wird, hat eine besondere Bedeutung, die Ihnen später klar werden wird (16).

3. Der Code ist eindeutig. Jedes Codon kodiert nur für eine Aminosäure. Bei allen gesunden Menschen kodiert das Triplett GAA oder GAG, I an sechster Stelle, in dem Gen, das Informationen über die Betakette des Hämoglobins trägt, für Glutaminsäure. Bei Patienten mit Sichelzellenanämie wird das zweite Nukleotid in diesem Triplett durch U ersetzt. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, kodieren die dabei gebildeten Tripletts GUA bzw. GUG für die Aminosäure Valin. Wozu ein solcher Austausch führt, wissen Sie bereits aus dem Abschnitt über DNA.

4. Zwischen Genen gibt es „Satzzeichen“. In gedruckten Texten steht am Ende jeder Phrase ein Punkt. Mehrere verwandte Phrasen bilden einen Absatz. In der Sprache der genetischen Information ist ein solcher Absatz ein Operon und seine komplementäre mRNA. Jedes Gen im Operon kodiert eine Polypeptidkette – eine Phrase. Da in manchen Fällen nacheinander mehrere unterschiedliche Polypeptidketten aus der mRNA-Matrix entstehen, müssen diese voneinander getrennt werden. Zu diesem Zweck gibt es im genetischen Code drei spezielle Tripletts – UAA, UAG, UGA, die jeweils den Abschluss der Synthese einer Polypeptidkette anzeigen. Somit fungieren diese Triolen als Satzzeichen. Sie befinden sich am Ende jedes Gens. Es gibt keine „Satzzeichen“ innerhalb des Gens. Da der genetische Code einer Sprache ähnelt, analysieren wir diese Eigenschaft am Beispiel einer aus Drillingen zusammengesetzten Phrase: Es war einmal eine stille Katze, diese Katze war mir lieb. Die Bedeutung dessen, was geschrieben steht, ist trotz des Fehlens von Satzzeichen klar. Wenn wir einen Buchstaben im ersten Wort (ein Nukleotid im Gen) entfernen, aber auch Buchstabentripel einlesen, dann ist das Ergebnis Unsinn: ilb ylk ott ilb yls erm ilm no otk Eine Verletzung der Bedeutung liegt auch dann vor, wenn ein oder zwei Nukleotide aus einem Gen verloren gehen. Das Protein, das von einem so beschädigten Gen abgelesen wird, hat nichts mit dem Protein zu tun, das vom normalen Gen kodiert wurde .

6. Der Code ist universell. Der genetische Code ist für alle auf der Erde lebenden Lebewesen derselbe. In Bakterien und Pilzen, Weizen und Baumwolle, Fischen und Würmern, Fröschen und Menschen kodieren dieselben Tripletts dieselben Aminosäuren.

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

Der genetische Code ist ein System zur Aufzeichnung von Erbinformationen in Molekülen Nukleinsäuren, basierend auf einem bestimmten Wechsel von Nukleotidsequenzen in DNA oder RNA, die Codons bilden, die Aminosäuren im Protein entsprechen.

Der genetische Code hat mehrere Eigenschaften.

Dreiheit.

Entartung oder Redundanz.

Eindeutigkeit.

Polarität.

Nicht überlappend.

Kompaktheit.

Vielseitigkeit.

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

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

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

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

Tabelle 1.

Messenger-RNA-Codons und entsprechende Aminosäuren

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

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

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

B. Entartung oder Redundanz.

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

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

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

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

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

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

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

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

V. Eindeutigkeit.

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

Eindeutig

Aminosäure-Codon

Degenerieren

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

G. Polarität

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

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

d. Nicht überlappend.

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

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

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

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

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

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

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

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

AGB AGB AGB UGC AGB AGB AGB UGC AGB AGB AGB

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

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

A B C

Nicht überlappender Code. Überlappender Code

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

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

Es ist zu beachten, dass der Mensch immer noch über eine geringe Anzahl von Genen verfügt, die davon abweichen allgemeine Regel und überlappen.

e. Kompaktheit.

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

Und. Vielseitigkeit.

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

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

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

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

Der genetische Code, auch Aminosäurecode genannt, ist ein System zum Aufzeichnen von Informationen über die Aminosäuresequenz in einem Protein unter Verwendung der Sequenz von Nukleotidresten in der DNA, die eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten: Adenin (A), Guanin (G). ), Cytosin (C) und Thymin (T). Da die doppelsträngige DNA-Helix jedoch nicht direkt an der Synthese des Proteins beteiligt ist, das von einem dieser Stränge (d. h. RNA) kodiert wird, ist der Code in RNA-Sprache geschrieben, die stattdessen Uracil (U) enthält von Thymin. Aus dem gleichen Grund ist es üblich zu sagen, dass ein Code eine Folge von Nukleotiden und keine Nukleotidpaare ist.

Der genetische Code wird durch bestimmte Codewörter, sogenannte Codons, dargestellt.

Das erste Codewort wurde 1961 von Nirenberg und Mattei entschlüsselt. Sie erhielten einen Extrakt aus E. coli, der Ribosomen und andere für die Proteinsynthese notwendige Faktoren enthielt. Das Ergebnis war ein zellfreies System zur Proteinsynthese, das Proteine ​​aus Aminosäuren zusammensetzen konnte, wenn dem Medium die erforderliche mRNA hinzugefügt wurde. Durch Zugabe von synthetischer RNA, die nur aus Uracilen bestand, zum Medium stellten sie fest, dass ein Protein gebildet wurde, das nur aus Phenylalanin (Polyphenylalanin) bestand. Somit wurde festgestellt, dass das Nukleotidtriplett UUU (Codon) Phenylalanin entspricht. In den nächsten 5-6 Jahren wurden alle Codons des genetischen Codes bestimmt.

Der genetische Code ist eine Art Wörterbuch, das mit vier Nukleotiden geschriebenen Text in mit 20 Aminosäuren geschriebenen Proteintext übersetzt. Die übrigen im Protein vorkommenden Aminosäuren sind Modifikationen einer der 20 Aminosäuren.

Eigenschaften des genetischen Codes

Der genetische Code hat die folgenden Eigenschaften.

1. Dreifach- Jede Aminosäure entspricht einem Nukleotidtripel. Es lässt sich leicht berechnen, dass es 4 3 = 64 Codons gibt. Davon sind 61 semantisch und 3 unsinnig (Terminierung, Stoppcodons).
2. Kontinuität(keine Trennzeichen zwischen Nukleotiden) – Fehlen intragener Satzzeichen;

   Innerhalb eines Gens ist jedes Nukleotid Teil eines signifikanten Codons. Im Jahr 1961 Seymour Benzer und Francis Crick haben experimentell die Triplettnatur des Codes und seine Kontinuität (Kompaktheit) bewiesen. [zeigen]

   

   Die Essenz des Experiments: „+“-Mutation – Insertion eines Nukleotids. „-“-Mutation – Verlust eines Nukleotids.

   Eine einzelne Mutation („+“ oder „-“) am Anfang eines Gens oder eine Doppelmutation („+“ oder „-“) zerstört das gesamte Gen.

   Eine dreifache Mutation („+“ oder „-“) am Anfang eines Gens zerstört nur einen Teil des Gens.

   Eine vierfache „+“- oder „-“-Mutation zerstört wiederum das gesamte Gen.

   Das Experiment wurde an zwei benachbarten Phagengenen durchgeführt und zeigte dies

   1. Der Code ist ein Triplett und es gibt keine Interpunktion innerhalb des Gens
   2. Zwischen Genen gibt es Satzzeichen
3. Vorhandensein intergenerischer Satzzeichen- das Vorhandensein von Startcodons (sie beginnen mit der Proteinbiosynthese) und Terminatorcodons (die das Ende der Proteinbiosynthese anzeigen) unter den Tripletts;

   Herkömmlicherweise gehört auch das AUG-Codon, das erste nach der Leadersequenz, zu Satzzeichen. Es fungiert als Großbuchstabe. In dieser Position kodiert es Formylmethionin (in Prokaryoten).

   Am Ende jedes Gens, das ein Polypeptid kodiert, befindet sich mindestens eines von drei Stoppcodons oder Stoppsignalen: UAA, UAG, UGA. Sie beenden die Sendung.

4. Kolinearität- Übereinstimmung der linearen Sequenz von mRNA-Codons und Aminosäuren im Protein.
5. Spezifität- Jede Aminosäure entspricht nur bestimmten Codons, die nicht für eine andere Aminosäure verwendet werden können.
6. Unidirektionalität- Codons werden in eine Richtung gelesen – vom ersten Nukleotid zum nächsten
7. Entartung oder Redundanz, - eine Aminosäure kann durch mehrere Tripletts kodiert werden (Aminosäuren - 20, mögliche Tripletts - 64, 61 davon sind semantisch, d. h. im Durchschnitt entspricht jede Aminosäure etwa 3 Codons); Ausnahmen sind Methionin (Met) und Tryptophan (Trp).

   Der Grund für die Degeneration des Codes liegt darin, dass die semantische Hauptlast von den ersten beiden Nukleotiden im Triplett getragen wird und das dritte nicht so wichtig ist. Von hier Code-Entartungsregel : Wenn zwei Codons die gleichen ersten beiden Nukleotide haben und ihre dritten Nukleotide zur gleichen Klasse (Purin oder Pyrimidin) gehören, dann kodieren sie für die gleiche Aminosäure.

   Allerdings davon ideale Regel Es gibt zwei Ausnahmen. Dies ist das AUA-Codon, das nicht Isoleucin, sondern Methionin entsprechen sollte, und das UGA-Codon, das ein Stoppcodon ist, während es Tryptophan entsprechen sollte. Die Entartung des Codes hat offensichtlich eine adaptive Bedeutung.

8. Vielseitigkeit- Alle oben genannten Eigenschaften des genetischen Codes sind charakteristisch für alle lebenden Organismen.

   Codon	Universeller Code	Mitochondriale Codes
   		Wirbeltiere	Wirbellosen	Hefe	Pflanzen
   U.G.A.	STOPPEN	Trp	Trp	Trp	STOPPEN
   AUA	Ile	Getroffen	Getroffen	Getroffen	Ile
   CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
   A.G.A.	Arg	STOPPEN	Ser	Arg	Arg
   AGG	Arg	STOPPEN	Ser	Arg	Arg

   IN In letzter Zeit Das Prinzip der Code-Universalität wurde im Zusammenhang mit Berrells Entdeckung des idealen Codes menschlicher Mitochondrien im Jahr 1979 erschüttert, in dem die Regel der Code-Degeneration erfüllt ist. Im mitochondrialen Code entspricht das UGA-Codon Tryptophan und AUA Methionin, wie es die Code-Degenerationsregel erfordert.

   Vielleicht hatten zu Beginn der Evolution alle einfachen Organismen den gleichen Code wie die Mitochondrien, und dann kam es zu geringfügigen Abweichungen.

9. Nicht überlappend- jedes der Tripletts des genetischen Textes ist unabhängig voneinander, ein Nukleotid ist nur in einem Triplett enthalten; In Abb. zeigt den Unterschied zwischen überlappendem und nicht überlappendem Code.

   Im Jahr 1976 Die DNA des Phagen φX174 wurde sequenziert. Es verfügt über eine einzelsträngige zirkuläre DNA, die aus 5375 Nukleotiden besteht. Es war bekannt, dass der Phage neun Proteine ​​kodiert. Bei 6 von ihnen wurden hintereinander liegende Gene identifiziert.

   Es stellte sich heraus, dass es eine Überschneidung gibt. Gen E liegt vollständig innerhalb von Gen D. Sein Startcodon erscheint als Ergebnis einer Rahmenverschiebung um ein Nukleotid. Gen J beginnt dort, wo Gen D endet. Das Startcodon von Gen J überschneidet sich aufgrund einer Verschiebung um zwei Nukleotide mit dem Stoppcodon von Gen D. Die Konstruktion wird als „Leserahmenverschiebung“ um eine Anzahl von Nukleotiden bezeichnet, die kein Vielfaches von drei ist. Überlappungen wurden bisher nur für wenige Phagen nachgewiesen.

10. Geräuschunempfindlichkeit- das Verhältnis der Anzahl konservativer Substitutionen zur Anzahl radikaler Substitutionen.

    Nukleotidsubstitutionsmutationen, die nicht zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen, werden als konservativ bezeichnet. Nukleotidsubstitutionsmutationen, die zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen, werden als radikal bezeichnet.

    Da dieselbe Aminosäure von verschiedenen Tripletts kodiert werden kann, führen einige Substitutionen in Tripletts nicht zu einer Änderung der kodierten Aminosäure (zum Beispiel verlässt UUU -> UUC Phenylalanin). Einige Substitutionen verändern eine Aminosäure durch eine andere derselben Klasse (unpolar, polar, basisch, sauer), andere Substitutionen verändern auch die Klasse der Aminosäure.

    In jedem Triplett können 9 Einzelsubstitutionen vorgenommen werden, d.h. Es gibt drei Möglichkeiten, die zu ändernde Position auszuwählen (1., 2. oder 3.), und der ausgewählte Buchstabe (Nukleotid) kann in 4-1=3 andere Buchstaben (Nukleotid) geändert werden. Gesamt mögliche Ersetzungen Nukleotide - 61 mal 9 = 549.

    Durch direkte Berechnung anhand der genetischen Codetabelle können Sie Folgendes überprüfen: 23 Nukleotidsubstitutionen führen zum Auftreten von Codons – Translationsterminatoren. 134 Substitutionen verändern die kodierte Aminosäure nicht. 230 Substitutionen verändern die Klasse der kodierten Aminosäure nicht. 162 Substitutionen führen zu einer Änderung der Aminosäureklasse, d.h. sind radikal. Von den 183 Substitutionen des 3. Nukleotids führen 7 zum Auftreten von Translationsterminatoren und 176 sind konservativ. Von den 183 Substitutionen des 1. Nukleotids führen 9 zum Auftreten von Terminatoren, 114 sind konservativ und 60 sind radikal. Von den 183 Substitutionen des 2. Nukleotids führen 7 zum Auftreten von Terminatoren, 74 sind konservativ, 102 sind radikal.

Unter dem genetischen Code wird üblicherweise ein Zeichensystem verstanden, das die sequentielle Anordnung von Nukleotidverbindungen in DNA und RNA angibt, was einem anderen Zeichensystem entspricht, das die Reihenfolge von Aminosäureverbindungen in einem Proteinmolekül anzeigt.

Es ist wichtig!

Als es Wissenschaftlern gelang, die Eigenschaften des genetischen Codes zu untersuchen, wurde die Universalität als eine der wichtigsten erkannt. Ja, so seltsam es auch klingen mag, alles ist durch einen, universellen, gemeinsamen genetischen Code vereint. Es entstand über einen langen Zeitraum und der Prozess endete vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. Folglich kann man in der Struktur des Codes Spuren seiner Entwicklung vom Moment seiner Entstehung bis hin verfolgen Heute.

Wenn wir über die Reihenfolge der Anordnung von Elementen im genetischen Code sprechen, meinen wir, dass diese alles andere als chaotisch ist, sondern eine streng definierte Reihenfolge aufweist. Und dieser bestimmt maßgeblich auch die Eigenschaften des genetischen Codes. Dies entspricht der Anordnung von Buchstaben und Silben in Wörtern. Sobald wir die übliche Ordnung durchbrechen, wird das meiste, was wir auf den Seiten von Büchern oder Zeitungen lesen, zu lächerlichem Kauderwelsch.

Grundlegende Eigenschaften des genetischen Codes

Normalerweise enthält der Code einige auf besondere Weise verschlüsselte Informationen. Um den Code zu entschlüsseln, müssen Sie es wissen Unterscheidungsmerkmale.

Die Haupteigenschaften des genetischen Codes sind also:

• Dreiheit;
• Degeneration oder Redundanz;
• Eindeutigkeit;
• Kontinuität;
• die oben bereits erwähnte Vielseitigkeit.

Schauen wir uns jede Immobilie genauer an.

1. Dreifachheit

Dabei bilden drei Nukleotidverbindungen eine aufeinanderfolgende Kette innerhalb eines Moleküls (d. h. DNA oder RNA). Dadurch entsteht eine Triplettverbindung bzw. kodiert eine der Aminosäuren, deren Position in der Peptidkette.

Codons (sie sind auch Codewörter!) unterscheiden sich durch die Reihenfolge ihrer Verbindungen und durch die Art der stickstoffhaltigen Verbindungen (Nukleotide), aus denen sie bestehen.

In der Genetik ist es üblich, 64 Codon-Typen zu unterscheiden. Sie können Kombinationen bilden vier Typen Jeweils 3 Nukleotide. Dies entspricht der Potenzierung der Zahl 4 in die dritte Potenz. Somit ist die Bildung von 64 Nukleotidkombinationen möglich.

2. Redundanz des genetischen Codes

Diese Eigenschaft wird beobachtet, wenn mehrere Codons erforderlich sind, um eine Aminosäure zu verschlüsseln, normalerweise im Bereich von 2–6. Und nur Tryptophan kann mit einem Triplett kodiert werden.

3. Eindeutigkeit

Es ist in den Eigenschaften des genetischen Codes als Indikator für eine gesunde genetische Vererbung enthalten. Beispielsweise kann das GAA-Triplett, das in der Kette an sechster Stelle steht, Ärzten Auskunft über den guten Zustand des Blutes und über normales Hämoglobin geben. Er trägt Informationen über Hämoglobin und wird auch von ihm kodiert. Und wenn eine Person an Anämie leidet, wird eines der Nukleotide durch einen anderen Buchstaben des Codes ersetzt – U, was ein Signal der Krankheit ist.

4. Kontinuität

Bei der Erfassung dieser Eigenschaft des genetischen Codes ist zu beachten, dass Codons wie Glieder einer Kette nicht in einiger Entfernung, sondern in unmittelbarer Nähe nacheinander in der Nukleinsäurekette liegen und diese Kette nicht unterbrochen ist – es hat keinen Anfang und kein Ende.

5. Vielseitigkeit

Wir sollten nie vergessen, dass alles auf der Erde durch einen gemeinsamen genetischen Code verbunden ist. Und deshalb werden bei Primaten und Menschen, bei Insekten und Vögeln, in einem hundert Jahre alten Affenbrotbaum und einem kaum aus dem Boden gewachsenen Grashalm ähnliche Drillinge durch ähnliche Aminosäuren kodiert.

In den Genen sind die grundlegenden Informationen über die Eigenschaften eines bestimmten Organismus enthalten, eine Art Programm, das der Organismus von früheren Lebewesen erbt und das als genetischer Code existiert.

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

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

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

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

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

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

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

S. G. Inge-Vechtomov.