KOD GENETYCZNY, sposób rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasy nukleinowe w postaci sekwencji nukleotydów tworzących te kwasy. Pewna sekwencja nukleotydów w DNA i RNA odpowiada określonej sekwencji aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych białek. Zwyczajowo pisze się kod wielkimi literami alfabetu rosyjskiego lub łacińskiego. Każdy nukleotyd jest oznaczony literą rozpoczynającą nazwę zasady azotowej będącej częścią jego cząsteczki: A (A) - adenina, G (G) - guanina, C (C) - cytozyna, T (T) - tymina; w RNA zamiast tyminy uracyl to U (U). Każdy z nich jest kodowany przez kombinację trzech nukleotydów – trójkę lub kodon. Krótka ścieżka transferu Informacja genetyczna podsumowane w tzw. centralny dogmat biologii molekularnej: białko DNA` RNA f.
W specjalne okazje informacje mogą być przenoszone z RNA do DNA, ale nigdy z białka do genów.
Realizacja informacji genetycznej odbywa się w dwóch etapach. W jądrze komórkowym, informacji lub macierzy, RNA (transkrypcja) jest syntetyzowany na DNA. W tym przypadku sekwencja nukleotydowa DNA jest „przepisywana” (przekodowywana) do sekwencji nukleotydowej mRNA. Następnie mRNA przechodzi do cytoplazmy, przyłącza się do rybosomu i na nim, podobnie jak na matrycy, syntetyzowany jest (translacja) łańcuch białkowy polipeptydu. Aminokwasy za pomocą transferowego RNA są przyłączane do konstruowanego łańcucha w sekwencji określonej kolejnością nukleotydów w mRNA.
Z czterech „liter” można utworzyć 64 różne trzyliterowe „słowa” (kodony). Spośród 64 kodonów 61 koduje określone aminokwasy, a trzy są odpowiedzialne za zakończenie syntezy łańcucha polipeptydowego. Ponieważ istnieje 61 kodonów dla 20 aminokwasów tworzących białka, niektóre aminokwasy są kodowane przez więcej niż jeden kodon (tzw. degeneracja kodu). Taka redundancja zwiększa niezawodność kodu i całego mechanizmu biosyntezy białek. Kolejną właściwością kodu jest jego specyficzność (jednoznaczność): jeden kodon koduje tylko jeden aminokwas.
Ponadto kod nie nakłada się na siebie – informacje są odczytywane w jednym kierunku sekwencyjnie, trójka po trójce. Bardzo niesamowita nieruchomość kod - jego uniwersalność: jest taki sam dla wszystkich żywych istot - od bakterii po ludzi (wyjątkiem jest kod genetyczny mitochondriów). Naukowcy widzą w tym potwierdzenie koncepcji pochodzenia wszystkich organizmów od jednego wspólnego przodka.
Dekodowanie kodu genetycznego, czyli określenie „znaczenia” każdego kodonu i zasad odczytywania informacji, przeprowadzono w latach 1961-1965. i jest uważany za jedno z najbardziej uderzających osiągnięć biologii molekularnej.
Kod genetyczny to system rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, które tworzą kodony odpowiadające aminokwasom w białku.
Kod genetyczny ma kilka właściwości.
Potrójność.
Degeneracja lub nadmiarowość.
Jednoznaczność.
Biegunowość.
Nienakładające się.
Ścisłość.
Wszechstronność.
Należy zauważyć, że niektórzy autorzy proponują również inne właściwości kodu związane z cechami chemicznymi zawartych w kodzie nukleotydów lub częstością występowania poszczególnych aminokwasów w białkach organizmu itp. Jednak te właściwości wynikają z powyższego, więc rozważymy je tam.
a. Potrójność. Kod genetyczny jest bardzo skomplikowany zorganizowany system ma najmniejszą konstrukcyjną i najmniejszą jednostkę funkcjonalną. Trójka to najmniejsza strukturalna jednostka kodu genetycznego. Składa się z trzech nukleotydów. Kodon to najmniejsza funkcjonalna jednostka kodu genetycznego. Z reguły tryplety mRNA nazywane są kodonami. W kodzie genetycznym kodon pełni kilka funkcji. Po pierwsze, jego główną funkcją jest to, że koduje jeden aminokwas. Po drugie, kodon może nie kodować aminokwasu, ale w tym przypadku pełni inną funkcję (patrz poniżej). Jak widać z definicji, tryplet to pojęcie charakteryzujące podstawowy jednostka strukturalna kod genetyczny (trzy nukleotydy). kodon charakteryzuje elementarna jednostka semantyczna genom – trzy nukleotydy warunkują przyłączenie jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego.
Elementarną jednostkę strukturalną rozszyfrowano najpierw teoretycznie, a następnie potwierdzono eksperymentalnie jej istnienie. Rzeczywiście, 20 aminokwasów nie może być kodowanych przez jeden lub dwa nukleotydy. te ostatnie to tylko 4. Trzy z czterech nukleotydów dają 4 3 = 64 warianty, co więcej niż obejmuje liczbę aminokwasów obecnych w organizmach żywych (patrz Tabela 1).
Kombinacje nukleotydów przedstawione w Tabeli 64 mają dwie cechy. Po pierwsze, z 64 wariantów trojaczków tylko 61 to kodony i kodują dowolny aminokwas, nazywa się je kodony czuciowe. Trzy trojaczki nie kodują
aminokwasy a są sygnałami stopu oznaczającymi koniec translacji. Są trzy takie trojaczki UAA, UAG, UGA, są również nazywane „bezsensownymi” (kodonami nonsensownymi). W wyniku mutacji, która jest związana z wymianą jednego nukleotydu w trójce na inny, z kodonu sensownego może powstać kodon pozbawiony znaczenia. Ten rodzaj mutacji nazywa się nonsensowna mutacja. Jeżeli taki sygnał stop powstanie wewnątrz genu (w jego części informacyjnej), to podczas syntezy białka w tym miejscu proces będzie stale przerywany – syntetyzowana będzie tylko pierwsza (przed sygnałem stop) część białka. Osoba z taką patologią odczuje brak białka i odczuje objawy związane z tym brakiem. Na przykład ten rodzaj mutacji został znaleziony w genie kodującym łańcuch beta hemoglobiny. Syntetyzowany jest skrócony nieaktywny łańcuch hemoglobiny, który szybko ulega zniszczeniu. W efekcie powstaje cząsteczka hemoglobiny pozbawiona łańcucha beta. Oczywiste jest, że taka cząsteczka prawdopodobnie nie spełni w pełni swoich obowiązków. Istnieje poważna choroba, która rozwija się w zależności od rodzaju niedokrwistości hemolitycznej (talasemia beta-zero, od greckiego słowa „Talas” - Morze Śródziemne, gdzie po raz pierwszy odkryto tę chorobę).
Mechanizm działania kodonów stop różni się od mechanizmu działania kodonów sensownych. Wynika to z faktu, że dla wszystkich kodonów kodujących aminokwasy znaleziono odpowiadające tRNA. Nie znaleziono tRNA dla nonsensownych kodonów. Dlatego tRNA nie bierze udziału w procesie zatrzymania syntezy białek.
kodonSIE (czasami GUG u bakterii) nie tylko koduje aminokwas metioninę i walinę, ale takżeinicjator transmisji .
b. Degeneracja lub nadmiarowość.
61 z 64 trojaczków koduje 20 aminokwasów. Taki trzykrotny wzrost liczby trypletów nad liczbą aminokwasów sugeruje, że w przekazywaniu informacji można zastosować dwie opcje kodowania. Po pierwsze, nie wszystkie 64 kodony mogą być zaangażowane w kodowanie 20 aminokwasów, ale tylko 20, a po drugie aminokwasy mogą być kodowane przez kilka kodonów. Badania wykazały, że natura skorzystała z tej drugiej opcji.
Jego preferencje są jasne. Gdyby tylko 20 z 64 wariantów trypletowych było zaangażowanych w kodowanie aminokwasów, to 44 tryplety (z 64) pozostałyby niekodujące, tj. bez znaczenia (bezsensowne kodony). Wcześniej zwracaliśmy uwagę, jak niebezpieczna dla życia komórki jest przekształcenie trójki kodującej w wyniku mutacji w kodon nonsensowny – to znacząco zaburza normalne działanie polimerazy RNA, prowadząc ostatecznie do rozwoju chorób. Obecnie w naszym genomie są trzy nonsensowne kodony, a teraz wyobraź sobie, co by się stało, gdyby liczba nonsensownych kodonów wzrosła około 15 razy. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji przejście normalnych kodonów do nonsensownych kodonów będzie niezmiernie wyższe.
Kod, w którym jeden aminokwas jest kodowany przez kilka trypletów, nazywany jest zdegenerowanym lub nadmiarowym. Prawie każdy aminokwas ma kilka kodonów. Tak więc aminokwas leucyna może być kodowany przez sześć trypletów - UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Walina jest kodowana przez cztery trojaczki, fenyloalanina przez dwie i tylko tryptofan i metionina kodowane przez jeden kodon. Właściwość, która jest związana z zapisem tej samej informacji o różnych znakach, nazywa się degeneracja.
Liczba kodonów przypisanych do jednego aminokwasu dobrze koreluje z częstością występowania tego aminokwasu w białkach.
I to najprawdopodobniej nie jest przypadkowe. Im wyższa częstotliwość występowania aminokwasu w białku, im częściej kodon tego aminokwasu jest reprezentowany w genomie, tym większe prawdopodobieństwo jego uszkodzenia przez czynniki mutagenne. Dlatego jest jasne, że zmutowany kodon z większym prawdopodobieństwem koduje ten sam aminokwas, jeśli jest wysoce zdegenerowany. Z tych pozycji degeneracja kodu genetycznego jest mechanizmem chroniącym ludzki genom przed uszkodzeniem.
Należy zauważyć, że termin degeneracja jest używany w genetyce molekularnej również w innym sensie. Ponieważ główna część informacji w kodonie przypada na dwa pierwsze nukleotydy, zasada w trzeciej pozycji kodonu okazuje się mieć niewielkie znaczenie. Zjawisko to nazywa się „degeneracją trzeciej bazy”. Ta ostatnia cecha minimalizuje efekt mutacji. Na przykład wiadomo, że główną funkcją czerwonych krwinek jest przenoszenie tlenu z płuc do tkanek i dwutlenek węgla od tkanek do płuc. Ta funkcja jest wykonywana przez pigment oddechowy - hemoglobinę, która wypełnia całą cytoplazmę erytrocytów. Składa się z części białkowej - globiny, która jest kodowana przez odpowiedni gen. Oprócz białka hemoglobina zawiera hem, który zawiera żelazo. Mutacje w genach globiny powodują różne opcje hemoglobiny. Najczęściej mutacje są związane z zamiana jednego nukleotydu na inny i pojawienie się nowego kodonu w genie, który może kodować nowy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny. W trójce, w wyniku mutacji, można zastąpić dowolny nukleotyd - pierwszy, drugi lub trzeci. Wiadomo, że kilkaset mutacji wpływa na integralność genów globiny. Blisko 400 z których są związane z wymianą pojedynczych nukleotydów w genie i odpowiednią substytucją aminokwasową w polipeptydzie. Spośród nich tylko 100 substytucje prowadzą do niestabilności hemoglobiny i różnego rodzaju chorób od łagodnych do bardzo ciężkich. 300 (około 64%) mutacji substytucyjnych nie wpływa na czynność hemoglobiny i nie prowadzi do patologii. Jednym z powodów jest wspomniana wyżej „degeneracja trzeciej zasady”, kiedy zastąpienie trzeciego nukleotydu w trójce kodującej serynę, leucynę, prolinę, argininę i niektóre inne aminokwasy prowadzi do pojawienia się kodonu synonimowego kodujący ten sam aminokwas. Fenotypowo taka mutacja się nie zamanifestuje. Natomiast każda wymiana pierwszego lub drugiego nukleotydu w trójkę w 100% przypadków prowadzi do pojawienia się nowego wariantu hemoglobiny. Ale nawet w tym przypadku może nie być poważnych zaburzeń fenotypowych. Powodem tego jest zastąpienie aminokwasu w hemoglobinie innym podobnym do pierwszego pod względem właściwości fizykochemicznych. Na przykład, jeśli aminokwas o właściwościach hydrofilowych zostanie zastąpiony innym aminokwasem, ale o tych samych właściwościach.
Hemoglobina składa się z grupy żelazowo-porfirynowej hemu (dołączone są do niej cząsteczki tlenu i dwutlenku węgla) oraz białka - globiny. Hemoglobina dorosłych (HbA) zawiera dwa identyczne - łańcuszki i dwa -więzy. Cząsteczka -łańcuch zawiera 141 reszt aminokwasowych, - łańcuch - 146, - oraz -łańcuchy różnią się wieloma resztami aminokwasowymi. Sekwencja aminokwasowa każdego łańcucha globiny jest kodowana przez własny gen. Kodowanie genu - łańcuch znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 16, -gen - w krótkim ramieniu chromosomu 11. Zmiana w kodowaniu genów - łańcuch hemoglobiny pierwszego lub drugiego nukleotydu prawie zawsze prowadzi do pojawienia się nowych aminokwasów w białku, zaburzenia funkcji hemoglobiny i poważnych konsekwencji dla pacjenta. Na przykład zastąpienie „C” w jednym z trojaczków CAU (histydyny) przez „U” doprowadzi do pojawienia się nowego trypletu UAU kodującego inny aminokwas - tyrozynę.Fenotypowo objawi się to poważną chorobą.. A podobny zamiennik w pozycji 63 -łańcuch polipeptydu histydyny do tyrozyny destabilizuje hemoglobinę. Rozwija się methemoglobinemia chorobowa. Zmiana w wyniku mutacji kwasu glutaminowego na walinę na 6 pozycji łańcuch jest przyczyną ciężkiej choroby - anemii sierpowatej. Nie kontynuujmy smutnej listy. Zauważamy tylko, że przy wymianie pierwszych dwóch nukleotydów aminokwas może wydawać się podobny pod względem właściwości fizykochemicznych do poprzedniego. Zatem zastąpienie drugiego nukleotydu w jednej z trójek kodujących kwas glutaminowy (GAA) w -łańcuch na „Y” prowadzi do pojawienia się nowego trypletu (GUA) kodującego walinę, a zastąpienie pierwszego nukleotydu przez „A” tworzy tryplet AAA kodujący aminokwas lizynę. Kwas glutaminowy i lizyna mają podobne właściwości fizykochemiczne - oba są hydrofilowe. Walina jest aminokwasem hydrofobowym. Dlatego zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofobową waliną znacząco zmienia właściwości hemoglobiny, co ostatecznie prowadzi do rozwoju anemii sierpowatej, natomiast zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofilową lizyną w mniejszym stopniu zmienia funkcję hemoglobiny - pacjenci rozwijać łagodną postać anemii. W wyniku zastąpienia trzeciej zasady nowa trójka może kodować te same aminokwasy, co poprzednia. Na przykład, jeśli uracyl został zastąpiony cytozyną w trójce CAH i powstał trójka CAC, wówczas praktycznie nie zostaną wykryte żadne zmiany fenotypowe u osoby. To zrozumiałe, ponieważ Oba tryplety kodują ten sam aminokwas, histydynę.
Podsumowując, należy podkreślić, że degeneracja kodu genetycznego i degeneracja trzeciej zasady z ogólnej pozycji biologicznej są mechanizmami ochronnymi, które są włączone w ewolucję w unikalną strukturę DNA i RNA.
w. Jednoznaczność.
Każda trójka (oprócz bezsensownych) koduje tylko jeden aminokwas. Zatem w kierunku kodon - aminokwas kod genetyczny jest jednoznaczny, w kierunku aminokwas - kodon - niejednoznaczny (zdegenerowany).
niedwuznaczny
aminokwas kodonowy
zdegenerowany
I w tym przypadku potrzeba jednoznaczności w kodzie genetycznym jest oczywista. W innym wariancie, podczas translacji tego samego kodonu, do łańcucha białkowego wprowadzane byłyby różne aminokwasy, w wyniku czego powstawałyby białka o różnych strukturach pierwszorzędowych i różnych funkcjach. Metabolizm komórki przestawiłby się na tryb działania „jeden gen – kilka polipeptydów”. Oczywiste jest, że w takiej sytuacji funkcja regulacyjna genów zostałaby całkowicie utracona.
g. Polaryzacja
Odczytywanie informacji z DNA iz mRNA odbywa się tylko w jednym kierunku. Polaryzacja jest niezbędna do zdefiniowania struktur wyższego rzędu (wtórne, trzeciorzędne itp.). Wcześniej mówiliśmy o tym, że struktury niższego rzędu determinują struktury wyższego rzędu. Struktura trzeciorzędowa i struktury wyższego rzędu w białkach powstają natychmiast, gdy zsyntetyzowany łańcuch RNA oddala się od cząsteczki DNA lub łańcuch polipeptydowy odsuwa się od rybosomu. Podczas gdy wolny koniec RNA lub polipeptydu uzyskuje strukturę trzeciorzędową, drugi koniec łańcucha nadal jest syntetyzowany na DNA (jeśli transkrypcja RNA) lub rybosomie (jeśli transkrypcja polipeptydu).
Dlatego jednokierunkowy proces odczytywania informacji (w syntezie RNA i białka) jest niezbędny nie tylko do określenia sekwencji nukleotydów lub aminokwasów w syntetyzowanej substancji, ale do sztywnego określenia drugorzędowych, trzeciorzędowych itp. Struktury.
e. Nienakładanie się.
Kod może nakładać się lub nie. W większości organizmów kod nie zachodzi na siebie. W niektórych fagach znaleziono nakładający się kod.
Istotą kodu nienakładającego się jest to, że nukleotyd jednego kodonu nie może być jednocześnie nukleotydem innego kodonu. Gdyby kod nakładał się, to sekwencja siedmiu nukleotydów (GCUGCUG) mogłaby kodować nie dwa aminokwasy (alanina-alanina) (ryc. 33, A) jak w przypadku kodu nienakładającego się, ale trzy (jeśli jeden nukleotyd jest powszechny) (ryc. 33, B) lub pięć (jeśli dwa nukleotydy są wspólne) (zob. ryc. 33, C). W ostatnich dwóch przypadkach mutacja dowolnego nukleotydu prowadziłaby do naruszenia sekwencji dwóch, trzech itd. aminokwasy.
Stwierdzono jednak, że mutacja jednego nukleotydu zawsze zakłóca włączenie jednego aminokwasu do polipeptydu. Jest to istotny argument przemawiający za tym, że kod się nie nakłada.
Wyjaśnijmy to na rysunku 34. Pogrubione linie pokazują tryplety kodujące aminokwasy w przypadku kodu nienakładającego się i nakładającego się. Eksperymenty jednoznacznie wykazały, że kod genetyczny nie zachodzi na siebie. Nie wchodząc w szczegóły eksperymentu, zauważamy, że jeśli zastąpimy trzeci nukleotyd w sekwencji nukleotydowej (patrz ryc. 34)Na (oznaczone gwiazdką) do innego niż:
1. W przypadku kodu nienakładającego się, białko kontrolowane przez tę sekwencję będzie miało zamiennik jednego (pierwszego) aminokwasu (oznaczonego gwiazdkami).
2. Przy nakładającym się kodzie w opcji A, zastąpienie nastąpiłoby w dwóch (pierwszym i drugim) aminokwasach (oznaczonych gwiazdkami). W opcji B podstawienie wpłynęłoby na trzy aminokwasy (oznaczone gwiazdkami).
Jednak liczne eksperymenty wykazały, że gdy jeden nukleotyd w DNA jest uszkodzony, białko zawsze wpływa tylko na jeden aminokwas, co jest typowe dla kodu nienakładającego się.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
HCC HCC HCC UHC ZG HCC ZG UGC HCU ZG
*** *** *** *** *** ***
Alanina - Alanina Ala - Cys - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei
A B C
niepokrywający się kod nakładający się kod
Ryż. 34. Schemat wyjaśniający obecność nienakładającego się kodu w genomie (wyjaśnienie w tekście).
Brak nakładania się kodu genetycznego wiąże się z inną właściwością - odczyt informacji rozpoczyna się od pewnego punktu - sygnału inicjacji. Takim sygnałem inicjacji w mRNA jest kodon kodujący metioninę AUG.
Należy zauważyć, że osoba nadal ma niewielką liczbę genów, które różnią się od główna zasada i zachodzą na siebie.
e. Zwartość.
Między kodonami nie ma znaków interpunkcyjnych. Innymi słowy, trojaczki nie są oddzielone od siebie, na przykład, jednym nic nie znaczącym nukleotydem. Brak „znaków interpunkcyjnych” w kodzie genetycznym udowodniono w eksperymentach.
oraz. Wszechstronność.
Kod jest taki sam dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bezpośrednie dowody na uniwersalność kodu genetycznego uzyskano porównując sekwencje DNA z odpowiadającymi sekwencjami białek. Okazało się, że we wszystkich genomach bakteryjnych i eukariotycznych stosuje się te same zestawy wartości kodów. Są wyjątki, ale nie wiele.
Pierwsze wyjątki od uniwersalności kodu genetycznego znaleziono w mitochondriach niektórych gatunków zwierząt. Dotyczyło to kodonu terminatora UGA, który odczytuje się tak samo jak kodon UGG kodujący aminokwas tryptofan. Stwierdzono również inne rzadsze odstępstwa od uniwersalności.
Kod genetyczny DNA składa się z 64 trypletów nukleotydów. Te trojaczki nazywane są kodonami. Każdy kodon koduje jeden z 20 aminokwasów wykorzystywanych w syntezie białek. Daje to pewną nadmiarowość w kodzie: większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon.
Jeden kodon pełni dwie powiązane ze sobą funkcje: sygnalizuje początek translacji i koduje włączenie aminokwasu metioniny (Met) do rosnącego łańcucha polipeptydowego. System kodu DNA jest zaprojektowany tak, że kod genetyczny może być wyrażany albo jako kodony RNA, albo jako kodony DNA. Kodony RNA występują w RNA (mRNA) i te kodony są zdolne do odczytywania informacji podczas syntezy polipeptydów (proces zwany translacją). Ale każda cząsteczka mRNA nabywa sekwencję nukleotydową w transkrypcji z odpowiedniego genu.
Wszystkie aminokwasy oprócz dwóch (Met i Trp) mogą być kodowane przez 2 do 6 różnych kodonów. Jednak genom większości organizmów pokazuje, że niektóre kodony są faworyzowane w stosunku do innych. Na przykład u ludzi alanina jest kodowana przez GCC cztery razy częściej niż w GCG. To prawdopodobnie wskazuje na większą wydajność translacji aparatu translacyjnego (np. rybosomu) dla niektórych kodonów.
Kod genetyczny jest prawie uniwersalny. Te same kodony są przypisane do tego samego odcinka aminokwasów, a te same sygnały start i stop są w przeważającej mierze takie same u zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Znaleziono jednak pewne wyjątki. Większość z nich obejmuje przypisanie jednego lub dwóch z trzech kodonów stop do aminokwasu.
Skład chemiczny i strukturalna organizacja cząsteczki DNA.
Cząsteczki kwasu nukleinowego to bardzo długie łańcuchy składające się z wielu setek, a nawet milionów nukleotydów. Każdy kwas nukleinowy zawiera tylko cztery rodzaje nukleotydów. Funkcje cząsteczek kwasu nukleinowego zależą od ich budowy, składowych nukleotydów, ich liczby w łańcuchu oraz sekwencji związku w cząsteczce.
Każdy nukleotyd składa się z trzech składników: zasady azotowej, węglowodanu i Kwas fosforowy. W mieszanina każdy nukleotyd DNA jeden z czterech rodzajów zasad azotowych (adenina - A, tymina - T, guanina - G lub cytozyna - C), a także węgiel dezoksyrybozy i reszta kwasu fosforowego.
Tak więc nukleotydy DNA różnią się tylko rodzajem zasady azotowej.
Cząsteczka DNA składa się z ogromnej liczby nukleotydów połączonych w łańcuch w określonej kolejności. Każdy rodzaj cząsteczki DNA ma swoją własną liczbę i sekwencję nukleotydów.
Cząsteczki DNA są bardzo długie. Na przykład dosłowny zapis sekwencji nukleotydów w cząsteczkach DNA z jednej komórki ludzkiej (46 chromosomów) wymagałby książki liczącej około 820 000 stron. Naprzemienność czterech rodzajów nukleotydów może tworzyć nieskończoną liczbę wariantów cząsteczek DNA. Te cechy struktury cząsteczek DNA pozwalają im przechowywać ogromną ilość informacji o wszystkich oznakach organizmów.
W 1953 roku amerykański biolog J. Watson i angielski fizyk F. Crick stworzyli model struktury cząsteczki DNA. Naukowcy odkryli, że każda cząsteczka DNA składa się z dwóch połączonych ze sobą i spiralnie skręconych nici. Wygląda jak podwójna helisa. W każdym łańcuchu cztery rodzaje nukleotydów występują naprzemiennie w określonej sekwencji.
Nukleotyd Skład DNA różni się od różne rodzaje bakterie, grzyby, rośliny, zwierzęta. Ale to się nie zmienia z wiekiem, niewiele zależy od zmian. środowisko. Nukleotydy są sparowane, co oznacza, że liczba nukleotydów adeninowych w dowolnej cząsteczce DNA jest równa liczbie nukleotydów tymidynowych (A-T), a liczba nukleotydów cytozyny jest równa liczbie nukleotydów guaninowych (C-G). Wynika to z faktu, że połączenie dwóch łańcuchów ze sobą w cząsteczce DNA podlega pewnej zasadzie, a mianowicie: adenina jednego łańcucha jest zawsze połączona dwoma wiązaniami wodorowymi tylko z tyminą drugiego łańcucha, a guanina trzema wodorami wiązania z cytozyną, to znaczy łańcuchy nukleotydowe jednej cząsteczki DNA są komplementarne, uzupełniają się nawzajem.
Cząsteczki kwasu nukleinowego - DNA i RNA zbudowane są z nukleotydów. Skład nukleotydów DNA obejmuje zasadę azotową (A, T, G, C), węglowodan dezoksyrybozy i resztę cząsteczki kwasu fosforowego. Cząsteczka DNA to podwójna helisa, składająca się z dwóch nici połączonych wiązaniami wodorowymi zgodnie z zasadą komplementarności. Funkcją DNA jest przechowywanie informacji dziedzicznych.
Właściwości i funkcje DNA.
DNA jest nośnikiem informacji genetycznej, zapisanym w formie sekwencji nukleotydów za pomocą kodu genetycznego. Cząsteczki DNA są powiązane z dwoma podstawowymi właściwości życia organizmy - dziedziczność i zmienność. Podczas procesu zwanego replikacją DNA powstają dwie kopie oryginalnego łańcucha, które są dziedziczone przez komórki potomne podczas podziału, dzięki czemu powstałe komórki są genetycznie identyczne z oryginałem.
Informacja genetyczna jest realizowana podczas ekspresji genów w procesach transkrypcji (synteza cząsteczek RNA na matrycy DNA) i translacji (synteza białek na matrycy RNA).
Sekwencja nukleotydów „koduje” informacje o różne rodzaje RNA: informacja lub macierz (mRNA), rybosom (rRNA) i transport (tRNA). Wszystkie te typy RNA są syntetyzowane z DNA podczas procesu transkrypcji. Ich rola w biosyntezie białek (procesie translacji) jest inna. Komunikator RNA zawiera informację o sekwencji aminokwasów w białku, rybosomalny RNA służy jako podstawa dla rybosomów (złożonych kompleksów nukleoproteinowych, których główną funkcją jest składanie białka z poszczególnych aminokwasów na podstawie mRNA), transfer RNA dostarcza aminokwasy kwasy do miejsca gromadzenia się białka - do aktywnego centrum rybosomu, "pełzające" wzdłuż mRNA.
Kod genetyczny, jego właściwości.
Kod genetyczny- metoda właściwa wszystkim żywym organizmom polegająca na kodowaniu sekwencji aminokwasowej białek przy użyciu sekwencji nukleotydów. NIERUCHOMOŚCI:
5. Autoreprodukcja DNA. Replika i jej działanie .
Proces samoreprodukcji cząsteczek kwasu nukleinowego, któremu towarzyszy przekazywanie przez dziedziczenie (z komórki do komórki) dokładnych kopii informacji genetycznej; R. przeprowadzane przy udziale zestawu określonych enzymów (helikazy<helikazy>, który kontroluje rozwijanie cząsteczki DNA, DNA-polimeraza<polimeraza DNA> I i III, DNA-ligaza<ligaza DNA>), przechodzi przez typ półkonserwatywny z utworzeniem widełek replikacyjnych<widelec replikacyjny>; na jednym z łańcuchów<prowadząc nić> synteza łańcucha komplementarnego jest ciągła, az drugiej strony<opóźniona nić> występuje w wyniku formowania się fragmentów Dkazaki<Fragmenty Okazaki>; R. - proces o wysokiej precyzji, w którym poziom błędu nie przekracza 10 -9 ; u eukariontów R. może wystąpić w kilku punktach na tej samej cząsteczce jednocześnie DNA; prędkość R. eukarionty mają około 100, a bakterie około 1000 nukleotydów na sekundę.
6. Poziomy organizacji genomu eukariotycznego .
W organizmach eukariotycznych mechanizm regulacji transkrypcji jest znacznie bardziej złożony. W wyniku klonowania i sekwencjonowania genów eukariotycznych znaleziono określone sekwencje zaangażowane w transkrypcję i translację.
Komórka eukariotyczna charakteryzuje się:
1. Obecność intronów i egzonów w cząsteczce DNA.
2. Dojrzewanie i-RNA - wycinanie intronów i łączenie eksonów.
3. Obecność elementów regulatorowych regulujących transkrypcję, takich jak: a) promotory – 3 rodzaje, z których każdy znajduje się w określonej polimerazie. Pol I replikuje geny rybosomalne, Pol II replikuje geny strukturalne białek, Pol III replikuje geny kodujące małe RNA. Promotory Pol I i Pol II znajdują się powyżej miejsca inicjacji transkrypcji, promotor Pol III znajduje się w ramach genu strukturalnego; b) modulatory – sekwencje DNA zwiększające poziom transkrypcji; c) wzmacniacze – sekwencje, które zwiększają poziom transkrypcji i działają niezależnie od swojej pozycji względem kodującej części genu oraz stanu początkowego punktu syntezy RNA; d) terminatory – specyficzne sekwencje zatrzymujące zarówno translację, jak i transkrypcję.
Sekwencje te różnią się od sekwencji prokariotycznych strukturą pierwotną i lokalizacją względem kodonu inicjacji, a bakteryjna polimeraza RNA ich „nie rozpoznaje”. Tak więc, do ekspresji genów eukariotycznych w komórkach prokariotycznych, geny muszą być pod kontrolą prokariotycznych elementów regulatorowych. Tę okoliczność należy wziąć pod uwagę podczas konstruowania wektorów do ekspresji.
7. Skład chemiczny i strukturalny chromosomów .
Chemiczny skład chromosomów - DNA - 40%, białka histonowe - 40%. Bez histonu - 20% trochę RNA. Lipidy, polisacharydy, jony metali.
Skład chemiczny chromosomu to kompleks kwasów nukleinowych z białkami, węglowodanami, lipidami i metalami. Regulacja aktywności genów i ich przywracanie w przypadku uszkodzenia chemicznego lub radiacyjnego zachodzi w chromosomie.
STRUKTURALNY????
Chromosomy- nukleoproteina elementy konstrukcyjne jądra komórkowe zawierające DNA, który zawiera informacje dziedziczne organizmu, są zdolne do samoreprodukcji, mają indywidualność strukturalną i funkcjonalną i zachowują ją przez wiele pokoleń.
w cyklu mitotycznym są obserwowane następujące funkcje strukturalna organizacja chromosomów:
Istnieją mitotyczne i międzyfazowe formy strukturalnej organizacji chromosomów, wzajemnie przechodzące w siebie w cyklu mitotycznym - są to przekształcenia funkcjonalne i fizjologiczne
8. Poziomy pakowania materiału dziedzicznego u eukariontów .
Strukturalne i funkcjonalne poziomy organizacji materiału dziedzicznego eukariontów
Dziedziczność i zmienność zapewniają:
1) indywidualne (dyskretne) dziedziczenie i zmiany cech indywidualnych;
2) reprodukcja u osobników każdego pokolenia całego kompleksu cech morfologicznych i funkcjonalnych organizmów określonego gatunku biologicznego;
3) redystrybucja w gatunkach z rozmnażaniem płciowym w procesie reprodukcji skłonności dziedzicznych, w wyniku której potomstwo ma kombinację cech odmienną od ich kombinacji u rodziców. Wzorce dziedziczenia i zmienności cech oraz ich kombinacji wynikają z zasad organizacji strukturalnej i funkcjonalnej materiału genetycznego.
Istnieją trzy poziomy organizacji materiału dziedzicznego organizmów eukariotycznych: genowy, chromosomalny i genomowy (poziom genotypu).
Elementarną strukturą poziomu genu jest gen. Przeniesienie genów od rodziców do potomstwa jest niezbędne do rozwoju w nim pewnych cech. Chociaż znanych jest kilka form zmienności biologicznej, dopiero naruszenie struktury genów zmienia znaczenie informacji dziedzicznej, zgodnie z którą kształtują się określone cechy i właściwości. Ze względu na obecność poziomu genów możliwe jest indywidualne, oddzielne (dyskretne) i niezależne dziedziczenie oraz zmiany cech indywidualnych.
Geny komórek eukariotycznych są rozmieszczone w grupach wzdłuż chromosomów. Są to struktury jądra komórkowego, które charakteryzują się indywidualnością i zdolnością do reprodukcji z zachowaniem indywidualnych cech strukturalnych przez wiele pokoleń. Obecność chromosomów determinuje przydział chromosomowego poziomu organizacji materiału dziedzicznego. Umiejscowienie genów w chromosomach wpływa na względne dziedziczenie cech, umożliwia wpływanie na funkcję genu z jego bezpośredniego środowiska genetycznego – genów sąsiednich. Organizacja chromosomowa materiału dziedzicznego służy warunek konieczny redystrybucja dziedzicznych skłonności rodziców u potomstwa podczas rozmnażania płciowego.
Pomimo rozmieszczenia na różnych chromosomach, cały zestaw genów zachowuje się funkcjonalnie jako całość, tworząc jeden system reprezentujący genomowy (genotypowy) poziom organizacji materiału dziedzicznego. Na tym poziomie występuje szeroka interakcja i wzajemny wpływ skłonności dziedzicznych, zlokalizowanych zarówno w jednym, jak iw różnych chromosomach. Rezultatem jest wzajemna zgodność informacji genetycznej o różnych skłonnościach dziedzicznych, aw konsekwencji rozwój cech zrównoważonych w czasie, miejscu i intensywności w procesie ontogenezy. Funkcjonalna aktywność genów, sposób replikacji i zmiany mutacyjne w materiale dziedzicznym zależą również od charakterystyki genotypu organizmu lub komórki jako całości. Świadczy o tym chociażby względność własności dominacji.
Eu - i heterochromatyna.
Niektóre chromosomy wydają się skondensowane i intensywnie zabarwione podczas podziału komórki. Takie różnice nazwano heteropyknozą. Termin " heterochromatyna”. Istnieje euchromatyna - główna część chromosomów mitotycznych, która przechodzi zwykły cykl dekompaktowania zagęszczania podczas mitozy i heterochromatyna- regiony chromosomów, które są stale w stanie zwartym.
W większości gatunków eukariotycznych chromosomy zawierają oba: eu- regiony heterochromatyczne, przy czym te ostatnie stanowią znaczną część genomu. heterochromatyna zlokalizowane w centromerach, czasem w regionach telomerycznych. Regiony heterochromatyczne znaleziono w euchromatycznych ramionach chromosomów. Wyglądają jak interkalacje (interkalacje) heterochromatyny w euchromatynę. Taki heterochromatyna zwany interkalarnym. Zagęszczanie chromatyny. Euchromatyna i heterochromatyna różnią się cyklami zagęszczania. Euhr. przechodzi pełny cykl zagęszczania-dekompaktowania od międzyfazowej do międzyfazowej, hetero. utrzymuje stan względnej zwartości. Barwienie różnicowe. Różne sekcje heterochromatyny są barwione różnymi barwnikami, niektóre obszary - jednym, inne - kilkoma. Przy użyciu różnych barwników i rearanżacji chromosomów, które rozbijają regiony heterochromatyczne, scharakteryzowano wiele małych regionów Drosophila, w których powinowactwo do koloru różni się od sąsiednich regionów.
10. Cechy morfologiczne chromosomu metafazowego .
Chromosom metafazowy składa się z dwóch podłużnych nici dezoksyrybonukleoproteiny - chromatyd, połączonych ze sobą w obszarze pierwotnego przewężenia - centromeru. Centromere - specjalnie zorganizowana część chromosomu, wspólna dla obu siostrzanych chromatyd. Centromer dzieli korpus chromosomu na dwa ramiona. W zależności od umiejscowienia pierwotnego zwężenia rozróżnia się następujące typy chromosomów: równoramienne (metacentryczne), gdy centromer znajduje się pośrodku, a ramiona są w przybliżeniu jednakowa długość; nierówne ramiona (submetacentryczne), gdy centromer jest przesunięty ze środka chromosomu, a ramiona mają nierówną długość; pręcikowy (akrocentryczny), gdy centromer jest przesunięty na jeden koniec chromosomu, a jedno ramię jest bardzo krótkie. Są też chromosomy punktowe (telocentryczne), brakuje im jednego ramienia, ale nie znajdują się one w kariotypie (zestawie chromosomowym) człowieka. W niektórych chromosomach mogą występować wtórne zwężenia, które oddzielają region zwany satelitą od korpusu chromosomu.
Kod genetyczny to sposób kodowania sekwencji aminokwasów w cząsteczce białka przy użyciu sekwencji nukleotydów w cząsteczce kwasu nukleinowego. Właściwości kodu genetycznego wynikają z cech tego kodowania.
Każdy aminokwas białka jest powiązany z trzema kolejnymi nukleotydami kwasu nukleinowego - tryplet, lub kodon. Każdy z nukleotydów może zawierać jedną z czterech zasad azotowych. W RNA jest adenina(A) uracyl(U) guanina(G) cytozyna(C). Łącząc zasady azotowe na różne sposoby (in ta sprawa zawierających je nukleotydów) można uzyskać wiele różnych trójek: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC itp. Łączna liczba możliwych kombinacji to 64, czyli 4 3 .
Białka organizmów żywych zawierają około 20 aminokwasów. Gdyby natura „wymyśliła” kodowanie każdego aminokwasu nie trzema, ale dwoma nukleotydami, to różnorodność takich par nie byłaby wystarczająca, ponieważ byłoby ich tylko 16, tj. 4 2 .
W ten sposób, główną właściwością kodu genetycznego jest jego trójka. Każdy aminokwas jest kodowany przez trójkę nukleotydów.
Ponieważ istnieje znacznie więcej możliwych różnych trójek niż aminokwasów stosowanych w cząsteczkach biologicznych, taka właściwość jak nadmierność kod genetyczny. Wiele aminokwasów zaczęło być kodowanych nie przez jeden kodon, ale przez kilka. Na przykład aminokwas glicyna jest kodowana przez cztery różne kodony: GGU, GGC, GGA, GGG. Nazywa się również redundancją degeneracja.
Korespondencja między aminokwasami i kodonami jest odzwierciedlona w postaci tabel. Na przykład te:
W odniesieniu do nukleotydów kod genetyczny ma następującą właściwość: wyjątkowość(lub specyficzność): każdy kodon odpowiada tylko jednemu aminokwasowi. Na przykład kodon GGU może kodować tylko glicynę i żaden inny aminokwas.
Ponownie. Redundancja polega na tym, że kilka trypletów może kodować ten sam aminokwas. Swoistość - każdy specyficzny kodon może kodować tylko jeden aminokwas.
W kodzie genetycznym nie ma specjalnych znaków interpunkcyjnych (z wyjątkiem kodonów stop, które wskazują na koniec syntezy polipeptydu). Funkcję znaków interpunkcyjnych pełnią same trojaczki – koniec jednego oznacza, że rozpocznie się następny. Oznacza to następujące dwie właściwości kodu genetycznego: ciągłość oraz nienakładające się. Ciągłość rozumiana jest jako odczytywanie trójek bezpośrednio po sobie. Brak nakładania się oznacza, że każdy nukleotyd może być częścią tylko jednego trypletu. Tak więc pierwszy nukleotyd następnego trypletu zawsze występuje po trzecim nukleotydzie poprzedniego trypletu. Kodon nie może zaczynać się od drugiego lub trzeciego nukleotydu poprzedniego kodonu. Innymi słowy, kod się nie nakłada.
Kod genetyczny ma właściwość uniwersalność. Tak samo jest ze wszystkimi organizmami na Ziemi, co wskazuje na jedność powstania życia. Są od tego bardzo rzadkie wyjątki. Na przykład, niektóre trojaczki mitochondriów i chloroplastów kodują aminokwasy inne niż ich zwykłe. Może to wskazywać, że u zarania rozwoju życia istniały nieco inne odmiany kodu genetycznego.
Wreszcie kod genetyczny ma odporność na zakłócenia, co jest konsekwencją jego własności jako redundancji. Mutacje punktowe, czasami występujące w DNA, zwykle powodują zastąpienie jednej zasady azotowej drugą. To zmienia trójkę. Na przykład był to AAA, po mutacji stał się AAG. Jednak takie zmiany nie zawsze prowadzą do zmiany aminokwasu w syntetyzowanym polipeptydzie, ponieważ obie trojaczki, ze względu na właściwość redundancji kodu genetycznego, mogą odpowiadać jednemu aminokwasowi. Biorąc pod uwagę, że mutacje są częściej szkodliwe, użyteczna jest właściwość odporności na zakłócenia.
- ujednolicony system rejestrowania informacji dziedzicznych w cząsteczkach kwasu nukleinowego w postaci sekwencji nukleotydów. Kod genetyczny opiera się na użyciu alfabetu składającego się tylko z czterech liter nukleotydowych różniących się zasadami azotowymi: A, T, G, C.
Główne właściwości kodu genetycznego są następujące:
1. Kod genetyczny jest trójką. Tryplet (kodon) to sekwencja trzech nukleotydów, która koduje jeden aminokwas. Ponieważ białka zawierają 20 aminokwasów, oczywiste jest, że każdy z nich nie może być kodowany przez jeden nukleotyd (ponieważ w DNA są tylko cztery rodzaje nukleotydów, w tym przypadku 16 aminokwasów pozostaje niekodowanych). Dwa nukleotydy do kodowania aminokwasów również nie wystarczą, ponieważ w tym przypadku można zakodować tylko 16 aminokwasów. Oznacza to, że najmniejsza liczba nukleotydów kodujących jeden aminokwas to trzy. (W tym przypadku liczba możliwych trójek nukleotydów wynosi 4 3 = 64).
2. Nadmiarowość (degeneracja) kodu jest konsekwencją jego trypletu i oznacza, że jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trypletów (ponieważ jest 20 aminokwasów i 64 tryplety). Wyjątkiem są metionina i tryptofan, które są kodowane tylko przez jeden tryplet. Ponadto niektóre trojaczki pełnią określone funkcje. Tak więc w cząsteczce mRNA trzy z nich - UAA, UAG, UGA - są kodonami terminacyjnymi, czyli sygnałami stop, które zatrzymują syntezę łańcucha polipeptydowego. Trójka odpowiadająca metioninie (AUG), stojąca na początku łańcucha DNA, nie koduje aminokwasu, ale pełni funkcję inicjowania (ekscytowania) odczytu.
3. Jednocześnie z redundancją kod ma właściwość jednoznaczności, co oznacza, że każdy kodon odpowiada tylko jednemu określonemu aminokwasowi.
4. Kod jest kolinearny, tj. Sekwencja nukleotydów w genie dokładnie odpowiada sekwencji aminokwasów w białku.
5. Kod genetyczny jest niezachodzący na siebie i zwarty, to znaczy nie zawiera „znaków interpunkcyjnych”. Oznacza to, że proces odczytu nie dopuszcza możliwości nakładania się kolumn (trypletów) i, zaczynając od określonego kodonu, odczyt idzie w sposób ciągły potrojony o tryplet, aż do zatrzymania sygnałów (kodonów kończących). Na przykład w mRNA następna sekwencja zasady azotowe AUGGUGTSUUAAAUGUG będą odczytywane tylko przez takie trojaczki: AUG, GUG, CUU, AAU, GUG, a nie AUG, UGG, GGU, GUG itp. lub AUG, GGU, UGC, CUU itp. lub inne lub w sposób (na przykład kodon AUG, znak interpunkcyjny G, kodon UHC, znak interpunkcyjny Y itp.).
6. Kod genetyczny jest uniwersalny, to znaczy geny jądrowe wszystkich organizmów w ten sam sposób kodują informacje o białkach, niezależnie od poziomu organizacji i pozycji systemowej tych organizmów.
