Kas yra genetinis kodas: bendra informacija. Kas yra genetinis kodas ir kokios jo savybės?Genetinis kodas lemia informacijos apie

Genų klasifikacija

1) Pagal sąveikos pobūdį alelinėje poroje:

Dominuojantis (genas, galintis slopinti jam alelio recesyvinio geno pasireiškimą); - recesyvinis (genas, kurio ekspresiją slopina jo alelinis dominuojantis genas).

2) Funkcinė klasifikacija:

2) Genetinis kodas– tai tam tikri nukleotidų deriniai ir jų išsidėstymo DNR molekulėje seka. Tai metodas, būdingas visiems gyviems organizmams, koduojant baltymų aminorūgščių seką naudojant nukleotidų seką.

DNR naudojami keturi nukleotidai – adeninas (A), guaninas (G), citozinas (C), timinas (T), kurie rusų literatūroje žymimi raidėmis A, G, T ir C. Šios raidės sudaro abėcėlę. genetinis kodas. RNR naudoja tuos pačius nukleotidus, išskyrus timiną, kuris pakeičiamas panašiu nukleotidu – uracilu, kuris žymimas raide U (rusų kalbos literatūroje U). DNR ir RNR molekulėse nukleotidai išsidėstę grandinėmis ir taip gaunamos genetinių raidžių sekos.

Genetinis kodas

Gamtoje baltymams gaminti naudojama 20 skirtingų aminorūgščių. Kiekvienas baltymas yra grandinė arba kelios aminorūgščių grandinės griežtai apibrėžtoje sekoje. Ši seka lemia baltymo struktūrą, taigi ir visas jo biologines savybes. Aminorūgščių rinkinys taip pat universalus beveik visiems gyviems organizmams.

Genetinės informacijos įgyvendinimas gyvose ląstelėse (ty geno koduojamo baltymo sintezė) atliekamas naudojant du matricos procesus: transkripciją (tai yra mRNR sintezę DNR matricoje) ir genetinio kodo vertimą. į aminorūgščių seką (polipeptidinės grandinės sintezė ant mRNR matricos). Trijų iš eilės nukleotidų pakanka 20 aminorūgščių kodavimui, taip pat sustabdymo signalui, rodančiam baltymų sekos pabaigą. Trijų nukleotidų rinkinys vadinamas tripletu. Priimtos santrumpos, atitinkančios aminorūgštis ir kodonus, parodytos paveikslėlyje.

Genetinio kodo savybės

1. Trigubas- prasmingas kodo vienetas yra trijų nukleotidų derinys (tripletas arba kodonas).

2. Tęstinumas- tarp trynukų nėra skyrybos ženklų, tai yra, informacija skaitoma nuolat.

3. Diskretiškumas- tas pats nukleotidas vienu metu negali būti dviejų ar daugiau tripletų dalis.

4. Specifiškumas- konkretus kodonas atitinka tik vieną aminorūgštį.

5. Degeneracija (redundancija)– tą pačią aminorūgštį gali atitikti keli kodonai.

6. Universalumas - genetinis kodas vienodai veikia įvairaus sudėtingumo organizmuose – nuo ​​virusų iki žmonių. (tuo pagrįsti genų inžinerijos metodai)

3) transkripcija - RNR sintezės procesas, naudojant DNR kaip šabloną, kuris vyksta visose gyvose ląstelėse. Kitaip tariant, tai genetinės informacijos perkėlimas iš DNR į RNR.

Transkripciją katalizuoja nuo DNR priklausoma RNR polimerazė. RNR sintezės procesas vyksta kryptimi nuo 5" iki 3" galo, tai yra išilgai DNR šablono grandinės, RNR polimerazė juda kryptimi 3"->5"

Transkripcija susideda iš iniciacijos, pailgėjimo ir užbaigimo etapų.

Transkripcijos inicijavimas- sudėtingas procesas, kuris priklauso nuo DNR sekos, esančios šalia transkribuojamos sekos (o eukariotuose taip pat ir nuo tolimesnių genomo dalių – stiprintuvų ir slopintuvų) ir nuo įvairių baltymų faktorių buvimo ar nebuvimo.

Pailgėjimas- toliau vyksta DNR išsivyniojimas ir RNR sintezė išilgai kodavimo grandinės. ji, kaip ir DNR sintezė, vyksta 5-3 kryptimi

Nutraukimas- kai tik polimerazė pasiekia terminatorių, ji iš karto atsiskiria nuo DNR, vietinis DNR-RNR hibridas sunaikinamas ir naujai susintetinta RNR pernešama iš branduolio į citoplazmą ir transkripcija baigiama.

Apdorojimas- reakcijų rinkinys, vedantis į pirminių transkripcijos ir vertimo produktų pavertimą veikiančiomis molekulėmis. Funkciškai neaktyvios pirmtakų molekulės yra veikiamos P. ribonukleorūgštys (tRNR, rRNR, mRNR) ir daugelis kitų. baltymai.

Katabolinių fermentų sintezės procese (ardant substratus) prokariotuose vyksta indukuojama fermentų sintezė. Tai suteikia ląstelei galimybę prisitaikyti prie aplinkos sąlygų ir taupyti energiją stabdant atitinkamo fermento sintezę, jei jo poreikis išnyksta.
Norint paskatinti katabolinių fermentų sintezę, reikia laikytis šių sąlygų:

1. Fermentas sintetinamas tik tada, kai ląstelei būtinas atitinkamo substrato suskaidymas.
2. Kad susidarytų atitinkamas fermentas, substrato koncentracija terpėje turi viršyti tam tikrą lygį.
Genų ekspresijos reguliavimo mechanizmas Escherichia coli geriausiai ištirtas naudojant lac operono pavyzdį, kuris kontroliuoja trijų katabolinių fermentų, skaidančių laktozę, sintezę. Jei ląstelėje yra daug gliukozės ir mažai laktozės, promotorius lieka neaktyvus, o represoriaus baltymas yra ant operatoriaus – blokuojama lac operono transkripcija. Kai aplinkoje, taigi ir ląstelėje, sumažėja gliukozės kiekis, o daugėja laktozės, atsiranda šie įvykiai: padidėja ciklinio adenozino monofosfato kiekis, jis jungiasi prie CAP baltymo – šis kompleksas aktyvuoja promotorių, į kurį patenka RNR polimerazė. suriša; tuo pat metu laktozės perteklius jungiasi prie represoriaus baltymo ir iš jo išlaisvina operatorių – kelias RNR polimerazei atsiveria, prasideda lac operono struktūrinių genų transkripcija. Laktozė veikia kaip tų fermentų, kurie ją skaido, sintezės induktorius.

5) Genų ekspresijos reguliavimas eukariotuose yra daug sudėtingesnis. Įvairių tipų daugialąsčio eukariotinių organizmų ląstelės sintetina daugybę identiškų baltymų ir tuo pat metu skiriasi viena nuo kitos tam tikro tipo ląstelėms būdingų baltymų rinkiniu. Gamybos lygis priklauso nuo ląstelės tipo, taip pat nuo organizmo vystymosi stadijos. Genų ekspresijos reguliavimas vykdomas ląstelių ir organizmo lygiais. Eukariotinių ląstelių genai skirstomi į du pagrindiniai tipai: pirmasis lemia ląstelių funkcijų universalumą, antrasis nustato (nulemia) specializuotas ląstelių funkcijas. Genų funkcijos pirmoji grupė pasirodyti visose ląstelėse. Kad atliktų diferencijuotas funkcijas, specializuotos ląstelės turi išreikšti tam tikrą genų rinkinį.
Eukariotinių ląstelių chromosomos, genai ir operonai turi daugybę struktūrinių ir funkcinių ypatybių, kurios paaiškina genų ekspresijos sudėtingumą.
1. Eukariotinių ląstelių operonai turi keletą genų – reguliatorių, kurie gali būti skirtingose ​​chromosomose.
2. Vieno biocheminio proceso fermentų sintezę valdantys struktūriniai genai gali būti sutelkti keliuose operonuose, išsidėsčiusiuose ne tik vienoje DNR molekulėje, bet ir keliose.
3. Sudėtinga DNR molekulės seka. Yra informacinės ir neinformacinės dalys, unikalios ir pakartotinai kartojamos informacinės nukleotidų sekos.
4. Eukariotų genai susideda iš egzonų ir intronų, o iRNR brendimą lydi intronų išskyrimas iš atitinkamų pirminių RNR transkriptų (pro-RNR), t.y. sujungimas.
5. Genų transkripcijos procesas priklauso nuo chromatino būsenos. Vietinis DNR sutankinimas visiškai blokuoja RNR sintezę.
6. Transkripcija eukariotinėse ląstelėse ne visada susijusi su vertimu. Susintetinta mRNR gali būti saugoma ilgą laiką informacijososomų pavidalu. Transkripcija ir vertimas vyksta skirtinguose skyriuose.
7. Kai kurie eukariotų genai turi nenuoseklią lokalizaciją (labilūs genai arba transpozonai).
8. Molekulinės biologijos metodai atskleidė slopinamąjį histono baltymų poveikį mRNR sintezei.
9. Organų vystymosi ir diferenciacijos metu genų veikla priklauso nuo organizme cirkuliuojančių hormonų, sukeliančių specifines reakcijas tam tikrose ląstelėse. Žinduolių organizme lytinių hormonų veikimas yra svarbus.
10. Eukariotuose kiekviename ontogenezės etape išreiškiama 5-10% genų, likusieji turi būti blokuojami.

6) genetinės medžiagos taisymas

Genetinis reparacija- genetinės žalos pašalinimo ir paveldimo aparato atkūrimo procesas, vykstantis gyvų organizmų ląstelėse, veikiant specialiais fermentais. Ląstelių gebėjimą atitaisyti genetinę žalą pirmą kartą 1949 metais atrado amerikiečių genetikas A. Kellneris. Remontas- speciali ląstelių funkcija, kurią sudaro gebėjimas ištaisyti cheminius pažeidimus ir DNR molekulių lūžius, pažeistus normalios DNR biosintezės ląstelėje metu arba dėl fizinių ar cheminių veiksnių poveikio. Jį atlieka specialios ląstelės fermentų sistemos. Nemažai paveldimų ligų (pvz., pigmentinė kseroderma) yra susijusios su taisymo sistemų sutrikimais.

Reparacijos rūšys:

Tiesioginis atstatymas yra paprasčiausias būdas pašalinti DNR pažeidimus, kurie dažniausiai apima specifinius fermentus, kurie gali greitai (dažniausiai per vieną etapą) pašalinti atitinkamą žalą, atkurdami pirminę nukleotidų struktūrą. Taip yra, pavyzdžiui, su O6-metilguanino DNR metiltransferaze, kuri pašalina metilo grupę iš azoto bazės ant vienos iš savo cisteino liekanų.

Organizmo metabolizme Pagrindinis vaidmuo priklauso baltymams ir nukleino rūgštims.
Baltyminės medžiagos sudaro visų gyvybiškai svarbių ląstelių struktūrų pagrindą, pasižymi neįprastai dideliu reaktyvumu ir turi katalizinių funkcijų.
Nukleino rūgštys yra svarbiausio ląstelės organo – branduolio – dalis, taip pat citoplazma, ribosomos, mitochondrijos ir kt. Nukleino rūgštys vaidina svarbų, pirminį vaidmenį paveldimumui, organizmo kintamumui, baltymų sintezei.

Planuoti sintezė baltymas kaupiamas ląstelės branduolyje, o tiesioginė sintezė vyksta už branduolio ribų, todėl būtina Pristatymo paslauga užkoduotas planą nuo branduolio iki sintezės vietos. Šią pristatymo paslaugą atlieka RNR molekulės.

Procesas prasideda nuo šerdis ląstelės: dalis DNR „kopėčių“ atsiskleidžia ir atsiveria. Dėl šios priežasties RNR raidės sudaro ryšius su vienos iš DNR grandžių atviromis DNR raidėmis. Fermentas perkelia RNR raides, kad sujungtų jas į grandinę. Taip DNR raidės „perrašomos“ į RNR raides. Naujai suformuota RNR grandinė atsiskiria, o DNR „kopėčios“ vėl pasisuka. Informacijos nuskaitymo iš DNR ir jos sintezės naudojant jos RNR matricą procesas vadinamas transkripcija , o susintetinta RNR vadinama pasiuntiniu arba mRNR .

Po tolesnių modifikacijų šio tipo užkoduota mRNR yra paruošta. mRNR išeina iš branduolio ir eina į baltymų sintezės vietą, kur iššifruojamos mRNR raidės. Kiekvienas trijų i-RNR raidžių rinkinys sudaro "raidę", kuri reiškia vieną konkrečią aminorūgštį.

Kitas RNR tipas suranda šią aminorūgštį, sugauna ją fermento pagalba ir pristato į baltymų sintezės vietą. Ši RNR vadinama perdavimo RNR arba t-RNR. Skaitant ir išverčiant mRNR pranešimą, aminorūgščių grandinė auga. Ši grandinė susisuka ir susilanksto į unikalią formą, sukurdama vienos rūšies baltymus. Net baltymų lankstymo procesas yra nuostabus: viskam apskaičiuoti reikia kompiuterio galimybės sulankstyti vidutinio dydžio baltymą, susidedantį iš 100 aminorūgščių, užtruktų 1027 (!) metus. O tam, kad organizme susidarytų 20 aminorūgščių grandinė, užtrunka ne ilgiau kaip vieną sekundę, ir šis procesas nuolat vyksta visose kūno ląstelėse.

Genai, genetinis kodas ir jo savybės.

Žemėje gyvena apie 7 milijardai žmonių. Neskaitant 25–30 milijonų identiškų dvynių porų, genetiškai visi žmonės skirtingi : kiekvienas yra unikalus, turi unikalių paveldimų savybių, charakterio bruožų, sugebėjimų ir temperamento.

Šie skirtumai paaiškinami genotipų skirtumai- organizmo genų rinkiniai; Kiekvienas iš jų yra unikalus. Įkūnytos tam tikro organizmo genetinės savybės baltymuose – todėl vieno žmogaus baltymo struktūra, nors ir labai nežymiai, skiriasi nuo kito žmogaus baltymo.

Tai nereiškia kad dviejų žmonių nėra visiškai vienodų baltymų. Baltymai, atliekantys tas pačias funkcijas, gali būti vienodi arba tik nežymiai skirtis viena ar dviem aminorūgštimis. Bet neegzistuoja Žemėje žmonių (išskyrus identiškus dvynius), kurie turėtų visus savo baltymus yra tas pats .

Informacija apie pirminę baltymų struktūrą užkoduota kaip nukleotidų seka DNR molekulės dalyje, genas – organizmo paveldimos informacijos vienetas. Kiekvienoje DNR molekulėje yra daug genų. Jį sudaro visų organizmo genų visuma genotipas . Taigi,

Genas – paveldimos organizmo informacijos vienetas, atitinkantis atskirą DNR sekciją

Paveldima informacija koduojama naudojant genetinis kodas , kuri yra universali visiems organizmams ir skiriasi tik genus formuojančių ir specifinių organizmų baltymus koduojančių nukleotidų kaita.

Genetinis kodas susideda iš DNR nukleotidų tripletų (tripletų), sujungtų į skirtingas sekas (AAT, HCA, ACG, THC ir kt.), kurių kiekviena koduoja specifinę aminorūgštį (kuri bus įterpta į polipeptidinę grandinę).

Tiesą sakant kodas skaičiuoja nukleotidų seka mRNR molekulėje , nes pašalina informaciją iš DNR (procesas transkripcijos ) ir paverčia ją aminorūgščių seka sintezuotų baltymų molekulėse (procesas transliacijos ).
MRNR sudėtis apima nukleotidus A-C-G-U, kurių tripletai vadinami kodonai : tripletas ant DNR CGT ant i-RNR taps tripletu GCA, o tripletas DNR AAG taps tripletu UUC. Būtent mRNR kodonai įraše atsispindi genetinis kodas.

Taigi, genetinis kodas - vieninga paveldimos informacijos įrašymo į nukleorūgščių molekules sistema nukleotidų sekos pavidalu . Genetinis kodas pagrįstas abėcėlės, kurią sudaro tik keturios raidės-nukleotidai, išskiriami azoto bazėmis: A, T, G, C, naudojimu.

Pagrindinės genetinio kodo savybės:

1. Genetinis kodas trynukas. Tripletas (kodonas) yra trijų nukleotidų, koduojančių vieną aminorūgštį, seka. Kadangi baltymuose yra 20 aminorūgščių, akivaizdu, kad kiekvieno iš jų negali užkoduoti vienas nukleotidas ( Kadangi DNR yra tik keturių tipų nukleotidai, šiuo atveju 16 aminorūgščių lieka nekoduotos). Dviejų nukleotidų taip pat neužtenka aminorūgštims koduoti, nes tokiu atveju galima užkoduoti tik 16 aminorūgščių. Tai reiškia, kad mažiausias nukleotidų, koduojančių vieną aminorūgštį, skaičius turi būti bent trys. Šiuo atveju galimų nukleotidų tripletų skaičius yra 43 = 64.

2. Perteklius (degeneracija) Kodas yra jo tripleto pobūdžio pasekmė ir reiškia, kad vieną aminorūgštį gali koduoti keli tripletai (kadangi yra 20 aminorūgščių ir 64 tripletai), išskyrus metioniną ir triptofaną, kuriuos koduoja tik vienas tripletas. Be to, kai kurie trynukai atlieka specifines funkcijas: iRNR molekulėje tripletai UAA, UAG, UGA yra stop kodonai, t.y. sustabdyti-signalai, sustabdantys polipeptidinės grandinės sintezę. Metioniną atitinkantis tripletas (AUG), esantis DNR grandinės pradžioje, nekoduoja aminorūgšties, bet atlieka skaitymo inicijavimo (jaudinančio) funkciją.

3. Vienareikšmiškumas kodas - tuo pačiu metu kaip ir atleidimas, kodas turi savybę vienareikšmiškumas : kiekvienas kodonas atitinka tik vienas tam tikra aminorūgštis.

4. Kolineariškumas kodas, t.y. nukleotidų seka gene tiksliai atitinka aminorūgščių seką baltyme.

5. Genetinis kodas nepersidengiantis ir kompaktiškas , t. y. nėra „skyrybos ženklų“. Tai reiškia, kad skaitymo procesas neleidžia sutapti stulpelių (tripletų) ir, pradedant nuo tam tikro kodono, skaitymas vyksta nuolat, tripletas po tripleto, kol sustabdyti- signalai ( stop kodonai).

6. Genetinis kodas Universalus , t.y., visų organizmų branduoliniai genai informaciją apie baltymus koduoja vienodai, nepriklausomai nuo šių organizmų organizavimo lygio ir sisteminės padėties.

Egzistuoti genetinių kodų lentelės iššifravimui kodonai mRNR ir baltymų molekulių grandinių konstravimas.

Matricos sintezės reakcijos.

Negyvojoje gamtoje nežinomos reakcijos vyksta gyvose sistemose - matricos sintezės reakcijos.

Terminas "matrica" technologijoje jie žymi formą, naudojamą monetoms, medaliams ir tipografiniams šriftams lieti: grūdintas metalas tiksliai atkartoja visas liejant naudojamos formos detales. Matricos sintezė primena liejimą ant matricos: naujos molekulės sintetinamos tiksliai pagal planą, numatytą esamų molekulių struktūroje.

Matricos principas slypi esme svarbiausios ląstelės sintetinės reakcijos, tokios kaip nukleorūgščių ir baltymų sintezė. Šios reakcijos užtikrina tikslią, griežtai specifinę monomero vienetų seką sintezuojamuose polimeruose.

Čia vyksta kryptingi veiksmai. traukiant monomerus į tam tikrą vietą ląstelės – į molekules, kurios tarnauja kaip matrica, kurioje vyksta reakcija. Jei tokios reakcijos įvyktų dėl atsitiktinių molekulių susidūrimų, jos vyktų be galo lėtai. Sudėtingų molekulių sintezė šablono principu atliekama greitai ir tiksliai. Matricos vaidmuo nukleorūgščių makromolekulės vaidina matricos reakcijose DNR arba RNR .

Monomerinės molekulės iš kurių sintetinamas polimeras – nukleotidai arba aminorūgštys – pagal komplementarumo principą išsidėsto ir fiksuoja ant matricos griežtai apibrėžta, nurodyta tvarka.

Tada atsitinka monomerų vienetų „kryžminis sujungimas“ į polimero grandinę, o gatavas polimeras išleidžiamas iš matricos.

Po to matrica yra paruošta prie naujos polimero molekulės surinkimo. Akivaizdu, kad kaip ant tam tikros formos galima išlieti tik vieną monetą ar vieną raidę, taip ant duotosios matricos molekulės galima „surinkti“ tik vieną polimerą.

Matricos reakcijos tipas- specifinis gyvųjų sistemų chemijos bruožas. Jie yra pagrindinės visų gyvų būtybių savybės – jos gebėjimo daugintis – pagrindas.

Šablono sintezės reakcijos

1. DNR replikacija - replikacija (iš lotynų kalbos replikatio - atnaujinimas) - dukterinės dezoksiribonukleino rūgšties molekulės sintezės procesas pirminės DNR molekulės matricoje. Vėlesnio motininės ląstelės dalijimosi metu kiekviena dukterinė ląstelė gauna vieną DNR molekulės kopiją, kuri yra identiška pradinės motininės ląstelės DNR. Šis procesas užtikrina, kad genetinė informacija būtų tiksliai perduodama iš kartos į kartą. DNR replikaciją vykdo sudėtingas fermentų kompleksas, susidedantis iš 15-20 skirtingų baltymų, vadinamų atgrasus . Sintezės medžiaga yra laisvieji nukleotidai, esantys ląstelių citoplazmoje. Biologinė replikacijos prasmė slypi tiksliai perduodant paveldimą informaciją iš motininės molekulės į dukterines molekules, o tai paprastai vyksta somatinių ląstelių dalijimosi metu.

DNR molekulė susideda iš dviejų vienas kitą papildančių grandžių. Šias grandines laiko silpni vandenilio ryšiai, kuriuos gali suardyti fermentai. DNR molekulė yra pajėgi savaime dubliuotis (replikuotis), o ant kiekvienos senosios molekulės pusės sintetinama nauja.
Be to, ant DNR molekulės gali būti susintetinta mRNR molekulė, kuri vėliau iš DNR gautą informaciją perduoda į baltymų sintezės vietą.

Informacijos perdavimas ir baltymų sintezė vyksta matricos principu, panašiu į spaustuvės darbą spaustuvėje. Informacija iš DNR yra daug kartų kopijuojama. Jei kopijavimo metu įvyksta klaidų, jos pasikartos visose kitose kopijose.

Tiesa, kai kurias klaidas kopijuojant informaciją DNR molekule galima ištaisyti – klaidų pašalinimo procesas vadinamas atlyginimas. Pirmoji iš reakcijų informacijos perdavimo procese yra DNR molekulės replikacija ir naujų DNR grandinių sintezė.

2. Transkripcija (iš lot. transcriptio – perrašymas) – RNR sintezės procesas naudojant DNR kaip šabloną, vykstantis visose gyvose ląstelėse. Kitaip tariant, tai genetinės informacijos perkėlimas iš DNR į RNR.

Transkripciją katalizuoja nuo DNR priklausoma RNR polimerazė. RNR polimerazė juda išilgai DNR molekulės kryptimi 3" → 5". Transkripcija susideda iš etapų inicijavimas, pailgėjimas ir užbaigimas . Transkripcijos vienetas yra operonas, DNR molekulės fragmentas, susidedantis iš promotorius, transkribuota dalis ir terminatorius . mRNR susideda iš vienos grandinės ir yra sintetinama DNR pagal komplementarumo taisyklę dalyvaujant fermentui, kuris aktyvuoja mRNR molekulės sintezės pradžią ir pabaigą.

Paruošta mRNR molekulė patenka į citoplazmą ant ribosomų, kur vyksta polipeptidinių grandinių sintezė.

3. Transliacija (nuo lat. vertimas- perdavimas, judėjimas) - baltymų sintezės procesas iš aminorūgščių informacinėje (pasinešėjo) RNR (mRNR, mRNR) matricoje, kurį atlieka ribosoma. Kitaip tariant, tai yra informacijos, esančios mRNR nukleotidų sekoje, vertimas į aminorūgščių seką polipeptide.

4. Atvirkštinė transkripcija yra dvigrandės DNR formavimo procesas, pagrįstas informacija iš vienos grandinės RNR. Šis procesas vadinamas atvirkštine transkripcija, nes genetinės informacijos perdavimas vyksta „atvirkščia“ kryptimi, palyginti su transkripcija. Atvirkštinės transkripcijos idėja iš pradžių buvo labai nepopuliari, nes ji prieštaravo pagrindinei molekulinės biologijos dogmai, kuri manė, kad DNR yra transkribuojama į RNR, o vėliau paverčiama baltymais.

Tačiau 1970 m. Teminas ir Baltimorė nepriklausomai atrado fermentą, vadinamą atvirkštinė transkriptazė (revertazė) , ir galiausiai buvo patvirtinta atvirkštinės transkripcijos galimybė. 1975 metais Teminui ir Baltimorei buvo įteikta Nobelio fiziologijos ar medicinos premija. Kai kurie virusai (pavyzdžiui, žmogaus imunodeficito virusas, sukeliantis ŽIV infekciją) turi galimybę transkribuoti RNR į DNR. ŽIV turi RNR genomą, kuris yra integruotas į DNR. Dėl to viruso DNR gali būti sujungta su ląstelės šeimininkės genomu. Pagrindinis fermentas, atsakingas už DNR sintezę iš RNR, vadinamas atvirkštinis. Viena iš reverso funkcijų yra kurti komplementari DNR (cDNR) iš viruso genomo. Susijęs fermentas ribonukleazė skaldo RNR, o atvirkštinė sintezė sintezuoja cDNR iš DNR dvigubos spiralės. cDNR integrazės dėka integruojama į šeimininko ląstelės genomą. Rezultatas yra viruso baltymų sintezė šeimininko ląstelėse, kurie formuoja naujus virusus. ŽIV atveju taip pat užprogramuota T-limfocitų apoptozė (ląstelių mirtis). Kitais atvejais ląstelė gali likti virusų platintoja.

Matricos reakcijų seka baltymų biosintezės metu gali būti pavaizduota diagramos pavidalu.

Taigi, baltymų biosintezė– tai viena iš plastinių mainų rūšių, kurios metu DNR genuose užkoduota paveldima informacija realizuojama į specifinę aminorūgščių seką baltymų molekulėse.

Baltymų molekulės iš esmės yra polipeptidinės grandinės sudarytas iš atskirų aminorūgščių. Tačiau aminorūgštys nėra pakankamai aktyvios, kad galėtų susijungti viena su kita. Todėl prieš joms susijungiant viena su kita ir suformuojant baltymo molekulę, aminorūgštys turi būti aktyvuoti . Šis aktyvinimas vyksta veikiant specialiems fermentams.

Dėl aktyvacijos aminorūgštis tampa labiau labili ir, veikiant tam pačiam fermentui, jungiasi prie t- RNR. Kiekviena aminorūgštis atitinka griežtai specifinę t- RNR, kuris randa „savo“ aminorūgštį ir pervedimai jis patenka į ribosomą.

Vadinasi, įvairių aktyvuotų aminorūgščių kartu su savomis T- RNR. Ribosoma yra kaip konvejeris surinkti baltymų grandinę iš įvairių jai tiekiamų aminorūgščių.

Kartu su t-RNR, ant kurios „sėdi“ jos pačios aminorūgštys signalas"iš DNR, esančios branduolyje. Pagal šį signalą ribosomoje sintetinamas vienas ar kitas baltymas.

DNR nukreipiamoji įtaka baltymų sintezei vykdoma ne tiesiogiai, o naudojant specialų tarpininką - matrica arba pasiuntinio RNR (m-RNR arba mRNR), kuris susintetinti į branduolį e veikiamas DNR, todėl jo sudėtis atspindi DNR sudėtį. RNR molekulė yra tarsi DNR formos atliejimas. Susintetinta mRNR patenka į ribosomą ir tarsi perkelia ją į šią struktūrą planą- kokia tvarka į ribosomą patenkančios aktyvuotos aminorūgštys turi būti sujungtos viena su kita, kad būtų susintetintas konkretus baltymas? Priešingu atveju, genetinė informacija, užkoduota DNR, perkeliama į iRNR, o po to į baltymą.

iRNR molekulė patenka į ribosomą ir siūlių ją. Nustatomas tas jo segmentas, kuris šiuo metu yra ribosomoje kodonas (tripletas), visiškai specifiniu būdu sąveikauja su tais, kurie struktūriškai panašūs į jį tripletas (antikodonas) perdavimo RNR, kuri atnešė aminorūgštį į ribosomą.

Pernešimo RNR su savo aminorūgštimis atitinka specifinį mRNR kodoną ir jungiasi su juo; į kitą, gretimą mRNR skyrių pridedama kita tRNR su skirtinga aminorūgštimi ir taip, kol bus perskaityta visa i-RNR grandinė, kol visos aminorūgštys bus sumažintos atitinkama tvarka, suformuojant baltymo molekulę. Ir tRNR, kuri tiekė aminorūgštį į konkrečią polipeptidinės grandinės dalį, išlaisvintas iš aminorūgščių ir išeina iš ribosomos.

Tada vėl citoplazmoje norima aminorūgštis gali prisijungti prie jos ir vėl perkelti ją į ribosomą. Baltymų sintezės procese vienu metu dalyvauja ne viena, o kelios ribosomos – poliribosomos.

Pagrindiniai genetinės informacijos perdavimo etapai:

1. DNR, kaip mRNR šablono, sintezė (transkripcija)
2. Polipeptidinės grandinės sintezė ribosomose pagal programą, esančią mRNR (vertimas) .

Etapai yra universalūs visoms gyvoms būtybėms, tačiau šių procesų laiko ir erdvės santykiai skiriasi pro- ir eukariotuose.

U prokariotas transkripcija ir transliacija gali vykti vienu metu, nes DNR yra citoplazmoje. U eukariotų transkripcija ir transliacija yra griežtai atskirtos erdvėje ir laike: branduolyje vyksta įvairių RNR sintezė, po kurios RNR molekulės turi išeiti iš branduolio, praeidamos per branduolio membraną. Tada RNR pernešamos citoplazmoje į baltymų sintezės vietą.

Visas morfologines, anatomines ir funkcines bet kurios gyvos ląstelės ir viso organizmo ypatybes lemia specifinių baltymų, sudarančių ląsteles, struktūra. Gebėjimas sintetinti tik griežtai apibrėžtus baltymus yra paveldima organizmų savybė. Aminorūgščių seką polipeptidinėje grandinėje – pirminėje baltymo struktūroje, nuo kurios priklauso jo biologinės savybės – lemia nukleotidų seka DNR molekulėse. Pastarasis yra paveldimos informacijos saugotojas ląstelėse.

Nukleotidų seka DNR polinukleotidinėje grandinėje yra labai specifinė kiekvienai ląstelei ir atspindi genetinis kodas, per kurią fiksuojama informacija apie tam tikrų baltymų sintezę. Tai reiškia, kad DNR kiekvienas pranešimas yra užkoduotas tam tikra keturių simbolių seka – A, G, T, C, kaip ir parašyta žinutė koduojama abėcėlės ar Morzės abėcėlės simboliais (raidėmis). Genetinis kodas yra trynukas t.y., kiekvieną aminorūgštį koduoja žinoma trijų gretimų nukleotidų kombinacija, vadinama kodonas. Nesunku apskaičiuoti, kad galimų keturių nukleotidų kombinacijų skaičius trise bus 64.

Paaiškėjo, kad kodas yra daugkartinis arba „išsigimęs“, t.y. ta pati aminorūgštis gali būti koduota keliais tripletais kodonais (nuo 2 iki b), o kiekvienas tripletas koduoja tik vieną aminorūgštį, pavyzdžiui, pasiuntinio RNR kalba:

• fenilalaninas - UUU, UUC;
• izoleucinas – AUC, AUC, AUA;
• prolinas - CCU, CCC, CCA, CCG;
• serinas - UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC.

Be to, kodas yra nesutampa, t.s. tas pats nukleotidas vienu metu negali būti dviejų gretimų tripletų dalis. Ir galiausiai šiame kode nėra kablelių, o tai reiškia, kad jei trūksta vieno nukleotido, tada jį skaitant vietą užims artimiausias nukleotidas iš gretimo kodono, kuris pakeis visą skaitymo tvarką. Todėl teisingą kodo nuskaitymą iš pasiuntinio RNR užtikrina telco, jei jis skaitomas iš griežtai apibrėžto taško. Pradiniai kodonai molekulėje ir RNR yra tripletai AUG ir GU G.

Nukleotidų kodas yra universalus visiems gyviems organizmams ir virusams: identiški tripletai koduoja identiškas aminorūgštis. Šis atradimas yra rimtas žingsnis siekiant gilesnio gyvosios materijos esmės supratimo, nes genetinio kodo universalumas rodo visų gyvų organizmų kilmės vienovę. Iki šiol trynukai buvo iššifruoti visoms 20 aminorūgščių, sudarančių natūralius baltymus. Todėl žinant tripletų eilę DNR molekulėje (genetinį kodą), galima nustatyti aminorūgščių tvarką baltyme.

Viena DNR molekulė gali koduoti daugelio baltymų aminorūgščių seką. Funkcinis DNR molekulės segmentas, kuriame yra informacija apie vieno polipeptido arba RNR molekulės struktūrą, vadinamas genomo. Yra struktūrinių genų, koduojančių informaciją struktūrinių ir fermentinių baltymų sintezei, ir genų, turinčių informaciją tRNR, rRNR ir kt. sintezei.

Bet kurioje ląstelėje ir organizme visus anatominius, morfologinius ir funkcinius požymius lemia juos sudarančių baltymų struktūra. Paveldima organizmo savybė yra gebėjimas sintetinti tam tikrus baltymus. Aminorūgštys yra polipeptidinėje grandinėje, nuo kurios priklauso biologinės savybės.
Kiekviena ląstelė turi savo nukleotidų seką DNR polinukleotidų grandinėje. Tai yra genetinis DNR kodas. Per ją fiksuojama informacija apie tam tikrų baltymų sintezę. Šiame straipsnyje aprašoma, kas yra genetinis kodas, jo savybės ir genetinė informacija.

Šiek tiek istorijos

Idėją, kad gali būti genetinis kodas, XX amžiaus viduryje suformulavo J. Gamow ir A. Down. Jie aprašė, kad nukleotidų seka, atsakinga už tam tikros aminorūgšties sintezę, turi mažiausiai tris vienetus. Vėliau jie įrodė tikslų trijų nukleotidų skaičių (tai yra genetinio kodo vienetas), kuris buvo vadinamas tripletu arba kodonu. Iš viso yra šešiasdešimt keturi nukleotidai, nes rūgšties molekulė, kurioje atsiranda RNR, yra sudaryta iš keturių skirtingų nukleotidų liekanų.

Kas yra genetinis kodas

Aminorūgščių baltymų sekos kodavimo metodas dėl nukleotidų sekos būdingas visoms gyvoms ląstelėms ir organizmams. Štai koks yra genetinis kodas.
DNR yra keturi nukleotidai:

• adeninas - A;
• guaninas - G;
• citozinas – C;
• timinas - T.

Jie žymimi didžiosiomis lotyniškomis arba (rusų kalbos literatūroje) rusiškomis raidėmis.
RNR taip pat yra keturi nukleotidai, tačiau vienas iš jų skiriasi nuo DNR:

• adeninas - A;
• guaninas - G;
• citozinas – C;
• uracilas - U.

Visi nukleotidai yra išdėstyti grandinėmis, DNR turi dvigubą spiralę, o RNR - vieną spiralę.
Baltymai yra pastatyti ten, kur jie, išsidėstę tam tikra seka, lemia jo biologines savybes.

Genetinio kodo savybės

Trigubai. Genetinio kodo vienetas susideda iš trijų raidžių, tai yra tripletas. Tai reiškia, kad dvidešimt egzistuojančių aminorūgščių yra užkoduotos trijų specifinių nukleotidų, vadinamų kodonais arba trilpetais. Yra šešiasdešimt keturi deriniai, kuriuos galima sukurti iš keturių nukleotidų. Šio kiekio daugiau nei pakanka užkoduoti dvidešimčiai aminorūgščių.
Degeneracija. Kiekviena aminorūgštis atitinka daugiau nei vieną kodoną, išskyrus metioniną ir triptofaną.
Vienareikšmiškumas. Vienas kodonas koduoja vieną aminorūgštį. Pavyzdžiui, sveiko žmogaus gene, turinčiame informaciją apie hemoglobino beta taikinį, GAG ir GAA tripletas koduoja A kiekvienam, sergančiam pjautuvine anemija, vienas nukleotidas yra pakeistas.
Kolineariškumas. Aminorūgščių seka visada atitinka nukleotidų seką, kurią turi genas.
Genetinis kodas yra ištisinis ir kompaktiškas, o tai reiškia, kad jame nėra skyrybos ženklų. Tai yra, pradedant nuo tam tikro kodono, vyksta nuolatinis skaitymas. Pavyzdžiui, AUGGGUGTSUUAAUGUG bus skaitomas taip: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Bet ne AUG, UGG ir panašiai ar dar kas nors.
Universalumas. Tai vienoda absoliučiai visiems sausumos organizmams – nuo ​​žmonių iki žuvų, grybų ir bakterijų.

Lentelė

Į pateiktą lentelę įtrauktos ne visos turimos aminorūgštys. Hidroksiprolino, hidroksilizino, fosfoserino, tirozino jodo darinių, cistino ir kai kurių kitų nėra, nes jie yra kitų aminorūgščių, koduojamų m-RNR, dariniai, susidarę modifikavus baltymus dėl transliacijos.
Iš genetinio kodo savybių žinoma, kad vienas kodonas gali koduoti vieną aminorūgštį. Išimtis – genetinis kodas, kuris atlieka papildomas funkcijas ir koduoja valiną bei metioniną. iRNR, būdama kodono pradžioje, prijungia t-RNR, kuri neša formilmetioną. Pasibaigus sintezei, jis yra nuskilęs ir su savimi pasiima formilo liekaną, virsdamas metionino liekana. Taigi minėti kodonai yra polipeptidinės grandinės sintezės iniciatoriai. Jei jų nėra pradžioje, vadinasi, jie niekuo nesiskiria nuo kitų.

Genetinė informacija

Ši sąvoka reiškia savybių programą, perduodamą iš protėvių. Jis yra įtrauktas į paveldimumą kaip genetinis kodas.
Genetinis kodas realizuojamas baltymų sintezės metu:

• pasiuntinio RNR;
• ribosomų rRNR.

Informacija perduodama tiesioginiu ryšiu (DNR-RNR-baltymas) ir atvirkštiniu ryšiu (vidutinis baltymas-DNR).
Organizmai gali jį priimti, saugoti, perduoti ir panaudoti efektyviausiai.
Perduota paveldėjimo būdu, informacija lemia konkretaus organizmo vystymąsi. Tačiau dėl sąveikos su aplinka pastarosios reakcija iškreipiama, dėl to vyksta evoliucija ir vystymasis. Tokiu būdu į organizmą įvedama nauja informacija.

Molekulinės biologijos dėsnių skaičiavimas ir genetinio kodo atradimas iliustravo poreikį derinti genetiką su Darvino teorija, kurios pagrindu atsirado sintetinė evoliucijos teorija – neklasikinė biologija.
Darvino paveldimumą, variaciją ir natūralią atranką papildo genetiškai nulemta atranka. Evoliucija realizuojama genetiniame lygmenyje per atsitiktines mutacijas ir vertingiausių savybių, labiausiai pritaikytų prie aplinkos, paveldėjimą.

Žmogaus kodo dekodavimas

Devintajame dešimtmetyje buvo pradėtas įgyvendinti Žmogaus genomo projektas, kurio metu dvi tūkstantosiose buvo atrasti genomo fragmentai, kuriuose yra 99,99% žmogaus genų. Fragmentai, kurie nedalyvauja baltymų sintezėje ir nėra užkoduoti, lieka nežinomi. Jų vaidmuo kol kas nežinomas.

Paskutinį kartą aptikta 2006 m., 1 chromosoma yra ilgiausia genome. Daugiau nei trys šimtai penkiasdešimt ligų, įskaitant vėžį, atsiranda dėl jos sutrikimų ir mutacijų.

Tokių tyrimų vaidmens negalima pervertinti. Sužinojus, kas yra genetinis kodas, tapo žinoma, pagal kokius dėsningumus vyksta raida, kaip formuojasi individų morfologinė sandara, psichika, polinkis sirgti tam tikromis ligomis, medžiagų apykaita, defektai.

Genetinis kodas– genetinės informacijos įrašymo į DNR (RNR) sistema tam tikros nukleotidų sekos pavidalu Tam tikra nukleotidų seka DNR ir RNR atitinka tam tikrą aminorūgščių seką baltymų polipeptidinėse grandinėse. Įprasta kodą rašyti didžiosiomis rusų arba lotynų abėcėlės raidėmis. Kiekvienas nukleotidas žymimas raide, kuria prasideda į jo molekulę įtrauktos azoto bazės pavadinimas: A (A) – adeninas, G (G) – guaninas, C (C) – citozinas, T (T) – timinas; RNR vietoj timinuracilo – U (U). Nukleotidų seka lemia AK įsijungimo į sintezuojamą baltymą seką.

Genetinio kodo savybės:

1. Trigubas- prasmingas kodo vienetas yra trijų nukleotidų derinys (tripletas arba kodonas).
2. Tęstinumas- tarp trynukų nėra skyrybos ženklų, tai yra, informacija skaitoma nuolat.
3. Nepersidengimas- tas pats nukleotidas vienu metu negali būti dviejų ar daugiau tripletų dalis (nepastebėta kai kuriems persidengiantiems virusų, mitochondrijų ir bakterijų genams, koduojantiems kelis kadrų poslinkio baltymus).
4. Vienareikšmiškumas(specifiškumas) - specifinis kodonas atitinka tik vieną aminorūgštį (tačiau UGA kodonas Euplotescrassus koduoja dvi aminorūgštis - cisteiną ir selenocisteiną)
5. Degeneracija(redundancija) – tą pačią aminorūgštį gali atitikti keli kodonai.
6. Universalumas- genetinis kodas vienodai veikia įvairaus sudėtingumo organizmuose – nuo ​​virusų iki žmonių (tuo pagrįsti genų inžinerijos metodai; yra keletas išimčių, pateiktų lentelėje, esančioje skiltyje „Standartinio genetinio kodo variacijos“). žemiau).

Biosintezės sąlygos

Baltymų biosintezei reikalinga genetinė informacija iš DNR molekulės; pasiuntinio RNR – šios informacijos nešėjas iš branduolio į sintezės vietą; ribosomos – organelės, kuriose vyksta pati baltymų sintezė; aminorūgščių rinkinys citoplazmoje; perneša RNR, kurios koduoja aminorūgštis, ir perneša jas į sintezės vietą ribosomose; ATP yra medžiaga, suteikianti energijos kodavimo ir biosintezės procesui.

Etapai

Transkripcija- visų tipų RNR biosintezės DNR matricoje procesas, vykstantis branduolyje.

Tam tikra DNR molekulės dalis despiraluoja, vandeniliniai ryšiai tarp dviejų grandinių sunaikinami veikiant fermentams. Vienoje DNR grandinėje, kaip ir šablone, pagal komplementarumo principą iš nukleotidų sintetinama RNR kopija. Priklausomai nuo DNR sekcijos, tokiu būdu sintetinamos ribosominės, transportinės ir pasiuntinio RNR.

Po mRNR sintezės ji palieka branduolį ir siunčiama į citoplazmą į baltymų sintezės vietą ribosomose.

Transliacija- polipeptidinių grandinių sintezės procesas, atliekamas ribosomose, kur mRNR yra tarpininkas perduodant informaciją apie pirminę baltymo struktūrą.

Baltymų biosintezė susideda iš daugybės reakcijų.

1. Aminorūgščių aktyvinimas ir kodavimas. tRNR turi dobilo lapelio formą, kurios centrinėje kilpoje yra tripletas antikodonas, atitinkantis konkrečios aminorūgšties kodą ir kodoną mRNR. Kiekviena aminorūgštis yra prijungta prie atitinkamos tRNR, naudojant ATP energiją. Susidaro tRNR-aminorūgščių kompleksas, kuris patenka į ribosomas.

2. iRNR-ribosomų komplekso susidarymas. iRNR citoplazmoje yra sujungta ribosomomis ant granuliuoto ER.

3. Polipeptidinės grandinės surinkimas. tRNR su aminorūgštimis pagal antikodono-kodono komplementarumo principą susijungia su mRNR ir patenka į ribosomą. Ribosomos peptidiniame centre tarp dviejų aminorūgščių susidaro peptidinis ryšys, o išsiskyrusi tRNR palieka ribosomą. Tokiu atveju mRNR kiekvieną kartą pajudina po vieną tripletą, įvesdama naują tRNR – aminorūgštį ir pašalindama iš ribosomos išleistą tRNR. Visą procesą užtikrina ATP energija. Viena mRNR gali susijungti su keliomis ribosomomis, sudarydama polisomą, kurioje vienu metu sintetinama daug vieno baltymo molekulių. Sintezė baigiasi, kai mRNR prasideda nesąmoningi kodonai (stop kodai). Ribosomos yra atskirtos nuo mRNR, iš jų pašalinamos polipeptidinės grandinės. Kadangi visas sintezės procesas vyksta granuliuotame endoplazminiame tinkle, susidariusios polipeptidinės grandinės patenka į ER kanalėlius, kur įgauna galutinę struktūrą ir virsta baltymų molekulėmis.

Visas sintezės reakcijas katalizuoja specialūs fermentai, naudojant ATP energiją. Sintezės greitis yra labai didelis ir priklauso nuo polipeptido ilgio. Pavyzdžiui, Escherichia coli ribosomoje 300 aminorūgščių baltymas susintetinamas maždaug per 15-20 sekundžių.