Vorlesung 5. Genetischer Code
Definition des Konzepts
Der genetische Code ist ein System zum Aufzeichnen von Informationen über die Aminosäuresequenz in Proteinen unter Verwendung der Nukleotidsequenz in der DNA.
Da DNA nicht direkt an der Proteinsynthese beteiligt ist, ist der Code in RNA-Sprache geschrieben. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin.
Eigenschaften des genetischen Codes
1. Dreifachheit
Jede Aminosäure wird durch eine Sequenz von 3 Nukleotiden kodiert.
Definition: Ein Triplett oder Codon ist eine Sequenz aus drei Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren.
Der Code kann nicht monoplet sein, da 4 (die Anzahl der verschiedenen Nukleotide in der DNA) weniger als 20 beträgt. Der Code kann nicht dublettig sein, weil 16 (die Anzahl der Kombinationen und Permutationen von 4 Nukleotiden von 2) ist kleiner als 20. Der Code kann ein Triplett sein, weil 64 (die Anzahl der Kombinationen und Permutationen von 4 bis 3) beträgt mehr als 20.
2. Entartung.
Alle Aminosäuren, mit Ausnahme von Methionin und Tryptophan, werden von mehr als einem Triplett kodiert:
2 AK für 1 Triplett = 2.
9 AK, je 2 Drillinge = 18.
1 AK 3 Drillinge = 3.
5 AK von 4 Drillingen = 20.
3 AK von 6 Drillingen = 18.
Insgesamt 61 Tripletts kodieren 20 Aminosäuren.
3. Vorhandensein intergener Satzzeichen.
Definition:
Gen - ein DNA-Abschnitt, der eine Polypeptidkette oder ein Molekül kodiert tRNA, RRNA bzwsRNA.
GenetRNA, rRNA, sRNAProteine sind nicht kodiert.
Am Ende jedes Gens, das ein Polypeptid kodiert, befindet sich mindestens eines von drei Tripletts, die RNA-Stoppcodons oder Stoppsignale kodieren. In mRNA haben sie folgende Form: UAA, UAG, UGA . Sie beenden (beenden) die Übertragung.
Herkömmlicherweise gehört das Codon auch zu den Satzzeichen AUG - die erste nach der Leader-Sequenz. (Siehe Vorlesung 8) Er fungiert als Großbuchstabe. In dieser Position kodiert es Formylmethionin (in Prokaryoten).
4. Eindeutigkeit.
Jedes Triplett kodiert nur eine Aminosäure oder ist ein Translationsterminator.
Die Ausnahme ist das Codon AUG . Bei Prokaryoten kodiert es an der ersten Stelle (Großbuchstabe) für Formylmethionin und an jeder anderen Stelle für Methionin.
5. Kompaktheit oder Fehlen intragener Satzzeichen.
Innerhalb eines Gens ist jedes Nukleotid Teil eines signifikanten Codons.
Im Jahr 1961 bewiesen Seymour Benzer und Francis Crick experimentell die Triplettnatur des Codes und seine Kompaktheit.
Die Essenz des Experiments: „+“-Mutation – Insertion eines Nukleotids. „-“-Mutation – Verlust eines Nukleotids. Eine einzelne „+“- oder „-“-Mutation am Anfang eines Gens zerstört das gesamte Gen. Eine doppelte „+“- oder „-“-Mutation zerstört auch das gesamte Gen.
Eine dreifache „+“- oder „-“-Mutation am Anfang eines Gens zerstört nur einen Teil davon. Eine vierfache „+“- oder „-“-Mutation zerstört wiederum das gesamte Gen.
Das Experiment beweist das Der Code wird transkribiert und es gibt keine Satzzeichen im Gen. Das Experiment wurde an zwei benachbarten Phagengenen durchgeführt und zeigte darüber hinaus Vorhandensein von Satzzeichen zwischen Genen.
6. Vielseitigkeit.
Der genetische Code ist für alle auf der Erde lebenden Lebewesen derselbe.
1979 wurde Burrell eröffnet Ideal Code der menschlichen Mitochondrien.
Definition:
„Ideal“ ist ein genetischer Code, bei dem die Degenerationsregel des Quasi-Dublett-Codes erfüllt ist: Wenn in zwei Tripletts die ersten beiden Nukleotide zusammenfallen und die dritten Nukleotide zur gleichen Klasse gehören (beide sind Purine oder beide sind Pyrimidine) , dann kodieren diese Tripletts für die gleiche Aminosäure.
Im Universalcode gibt es zwei Ausnahmen von dieser Regel. Beide Abweichungen vom idealen Code im Universellen beziehen sich auf grundlegende Punkte: den Beginn und das Ende der Proteinsynthese:
Codon | Universal Code | Mitochondriale Codes |
|||
Wirbeltiere | Wirbellosen | Hefe | Pflanzen |
||
STOPPEN | STOPPEN |
||||
Mit UA | |||||
A G A | STOPPEN | ||||
STOPPEN | 230 Substitutionen verändern die Klasse der kodierten Aminosäure nicht. zur Zerreißbarkeit. Im Jahr 1956 schlug Georgiy Gamow eine Variante des überlappenden Codes vor. Gemäß dem Gamow-Code ist jedes Nukleotid, beginnend mit dem dritten im Gen, Teil von 3 Codons. Bei der Entschlüsselung des genetischen Codes stellte sich heraus, dass er nicht überlappend war, d. h. Jedes Nukleotid ist Teil nur eines Codons. Vorteile eines überlappenden genetischen Codes: Kompaktheit, geringere Abhängigkeit der Proteinstruktur von der Insertion oder Deletion eines Nukleotids. Nachteil: Die Proteinstruktur ist stark vom Nukleotidersatz und Einschränkungen bei den Nachbarn abhängig. 1976 wurde die DNA des Phagen φX174 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 des Gens D . Sein Startcodon resultiert aus einer Rahmenverschiebung um ein Nukleotid. Gen J beginnt dort, wo das Gen endet D . Startcodon des Gens J überlappt mit dem Stopcodon des Gens D als Ergebnis einer Verschiebung von zwei Nukleotiden. 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. Informationskapazität der DNA Auf der Erde leben 6 Milliarden Menschen. Erbliche Informationen über sie 4x10 13 Buchseiten. Diese Seiten würden die Fläche von 6 NSU-Gebäuden einnehmen. 6x10 9 Spermien nehmen einen halben Fingerhut ein. Ihre DNA nimmt weniger als einen Viertelfingerhut ein. | ||||
Der genetische Code ist eine Möglichkeit, die Aminosäuresequenz in einem Proteinmolekül mithilfe der Nukleotidsequenz in einem Nukleinsäuremolekül zu kodieren. Aus den Merkmalen dieser Kodierung ergeben sich die Eigenschaften des genetischen Codes.
Jede Proteinaminosäure ist mit drei aufeinanderfolgenden Nukleinsäurenukleotiden verknüpft – Triplett, oder Codon. Jedes Nukleotid kann eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten. In der RNA ist es so Adenin(A), Uracil(U), Guanin(G), Cytosin(C). Durch die Kombination stickstoffhaltiger Basen (in diesem Fall Nukleotide, die sie enthalten) auf unterschiedliche Weise können Sie viele verschiedene Tripletts erhalten: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC usw. Die Gesamtzahl der möglichen Kombinationen beträgt 64, d. h. 4 3 .
Die Proteine lebender Organismen enthalten etwa 20 Aminosäuren. Wenn die Natur „geplant“ hätte, jede Aminosäure nicht mit drei, sondern mit zwei Nukleotiden zu kodieren, dann würde die Vielfalt solcher Paare nicht ausreichen, da es nur 16 davon gäbe, d.h. 4 2.
Auf diese Weise, Die Haupteigenschaft des genetischen Codes ist seine Dreifachheit. Jede Aminosäure wird durch ein Nukleotidtriplett kodiert.
Da es deutlich mehr mögliche unterschiedliche Tripletts gibt als die in biologischen Molekülen verwendeten Aminosäuren, wurde in der belebten Natur folgende Eigenschaft realisiert: Redundanz genetischer Code. Viele Aminosäuren wurden nicht mehr von einem, sondern von mehreren Codons kodiert. Beispielsweise wird die Aminosäure Glycin von vier verschiedenen Codons kodiert: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundanz wird auch genannt Entartung.
Die Entsprechung zwischen Aminosäuren und Codons ist in Tabellen dargestellt. Zum Beispiel diese:
Bezogen auf Nukleotide hat der genetische Code folgende Eigenschaft: Eindeutigkeit(oder Spezifität): Jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure. Beispielsweise kann das GGU-Codon nur für Glycin und keine andere Aminosäure kodieren.
Noch einmal. Redundanz bedeutet, dass mehrere Tripletts für dieselbe Aminosäure kodieren können. Spezifität – jedes spezifische Codon kann nur für eine Aminosäure kodieren.
Im genetischen Code gibt es keine besonderen Satzzeichen (mit Ausnahme von Stoppcodons, die das Ende der Polypeptidsynthese anzeigen). Die Funktion von Satzzeichen wird von den Drillingen selbst übernommen – das Ende eines Satzzeichens bedeutet, dass als nächstes ein anderes beginnen wird. Dies impliziert die folgenden zwei Eigenschaften des genetischen Codes: Kontinuität Und nicht überlappend. Kontinuität bezieht sich auf das Lesen von Triolen unmittelbar hintereinander. Nicht überlappend bedeutet, dass jedes Nukleotid nur Teil eines Tripletts sein kann. Das erste Nukleotid des nächsten Tripletts kommt also immer nach dem dritten Nukleotid des vorherigen Tripletts. Ein Codon kann nicht mit dem zweiten oder dritten Nukleotid des vorhergehenden Codons beginnen. Mit anderen Worten: Der Code überschneidet sich nicht.
Der genetische Code hat die Eigenschaft Vielseitigkeit. Dies gilt für alle Organismen auf der Erde, was auf die Einheit des Ursprungs des Lebens hinweist. Hiervon gibt es sehr seltene Ausnahmen. Beispielsweise kodieren einige Drillinge in Mitochondrien und Chloroplasten andere als die üblichen Aminosäuren. Dies könnte darauf hindeuten, dass es zu Beginn des Lebens leicht unterschiedliche Variationen des genetischen Codes gab.
Schließlich hat der genetische Code Geräuschunempfindlichkeit, was eine Folge seiner Eigenschaft als Redundanz ist. Punktmutationen, die manchmal in der DNA vorkommen, führen normalerweise zum Ersatz einer stickstoffhaltigen Base durch eine andere. Dadurch verändert sich das Triplett. Es war zum Beispiel AAA, aber nach der Mutation wurde es zu AAG. Allerdings führen solche Veränderungen nicht immer zu einer Veränderung der Aminosäure im synthetisierten Polypeptid, da beide Tripletts aufgrund der Redundanzeigenschaft des genetischen Codes einer Aminosäure entsprechen können. Angesichts der Tatsache, dass Mutationen häufig schädlich sind, ist die Eigenschaft der Störimmunität nützlich.
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 erblicher Informationen in Nukleinsäuremolekülen, das auf einer bestimmten Abwechslung von Nukleotidsequenzen in DNA oder RNA basiert und Codons bildet, die Aminosäuren in einem 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, die sich auf die chemischen Eigenschaften der im Code enthaltenen Nukleotide oder die Häufigkeit des Vorkommens einzelner Aminosäuren in den Proteinen des Körpers usw. beziehen. 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
|
GRÜNDUNG VON KODONOV |
|||||
|
Unsinn |
Unsinn |
||||
|
Unsinn | |||||
|
Meth |
|||||
|
Welle |
|||||
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 höherer Ordnung in Proteinen entstehen, 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 hätte das von dieser Sequenz kontrollierte Protein eine Substitution einer (ersten) Aminosäure (mit Sternchen markiert).
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 ein Mensch immer noch über eine geringe Anzahl von Genen verfügt, die von der allgemeinen Regel abweichen und sich überschneiden.
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.
Es werden die gleichen Nukleotide verwendet, mit Ausnahme des Thymin enthaltenden Nukleotids, das durch ein ähnliches Uracil enthaltendes Nukleotid ersetzt wird, das mit dem Buchstaben bezeichnet wird (in der russischsprachigen Literatur). In DNA- und RNA-Molekülen sind Nukleotide in Ketten angeordnet und so entstehen Sequenzen genetischer Buchstaben.
Die Proteine fast aller lebenden Organismen bestehen aus nur 20 Arten von Aminosäuren. Diese Aminosäuren werden als kanonisch bezeichnet. Jedes Protein ist eine Kette oder mehrere Ketten von Aminosäuren, die in einer genau definierten Reihenfolge verbunden sind. Diese Sequenz bestimmt die Struktur des Proteins und damit alle seine biologischen Eigenschaften.
In den frühen 60er Jahren des 20. Jahrhunderts offenbarten jedoch neue Daten die Inkonsistenz der Hypothese vom „Code ohne Kommas“. Dann zeigten Experimente, dass Codons, die Crick für bedeutungslos hielt, in vitro eine Proteinsynthese auslösen konnten, und 1965 war die Bedeutung aller 64 Tripletts geklärt. Es stellte sich heraus, dass einige Codons einfach redundant sind, das heißt, eine ganze Reihe von Aminosäuren wird von zwei, vier oder sogar sechs Tripletts kodiert.
Eigenschaften
Entsprechungstabellen zwischen Codons von mRNA und Aminosäuren
Genetischer Code, der den meisten Pro- und Eukaryoten gemeinsam ist. Die Tabelle zeigt alle 64 Codons und die entsprechenden Aminosäuren. Die Basenreihenfolge reicht vom 5"- bis zum 3"-Ende der mRNA.
| 1 Base |
2. Basis | 3 Base |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||||||
| U | UUU | (Phe/F) Phenylalanin | UCU | (Ser/S) Serin | UAU | (Tyr/Y) Tyrosin | UGU | (Cys/C) Cystein | U |
| UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
| UUA | (Leu/L) Leucin | UCA | UAA | Stoppen ( Ocker) | U.G.A. | Stoppen ( Opal) | A | ||
| UUG | UCG | UAG | Stoppen ( Bernstein) | UGG | (Trp/W) Tryptophan | G | |||
| C | CUU | CCU | (Pro/P) Prolin | CAU | (His/H) Histidin | C.G.U. | (Arg/R) Arginin | U | |
| CUC | CCC | C.A.C. | C.G.C. | C | |||||
| CUA | CCA | CAA | (Gln/Q) Glutamin | C.G.A. | A | ||||
| C.U.G. | CCG | CAG | CGG | G | |||||
| A | AUU | (Ile/I) Isoleucin | ACU | (Thr/T) Threonin | AAU | (Asn/N) Asparagin | AGU | (Ser/S) Serin | U |
| AUC | ACC | A.A.C. | A.G.C. | C | |||||
| AUA | ACA | AAA | (Lys/K) Lysin | A.G.A. | (Arg/R) Arginin | A | |||
| AUG | (Met/M) Methionin | A.C.G. | AAG | AGG | G | ||||
| G | GUU | (Val/V) Valin | G.C.U. | (Ala/A) Alanin | GAU | (Asp/D) Asparaginsäure | GGU | (Gly/G) Glycin | U |
| GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
| GUA | G.C.A. | GAA | (Glu/E) Glutaminsäure | GGA | A | ||||
| G.U.G. | GCG | GAG | GGG | G | |||||
| Ala/A | AVV, GCC, GCA, GCG | Leu/L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
|---|---|---|---|
| Arg/R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys/K | AAA, AAG |
| Asn/N | AAU, AAC | Met/M | AUG |
| Asp/D | GAU, GAC | Phe/F | UUU, UUC |
| Cys/C | UGU, UGC | Stütze | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln/Q | CAA, CAG | Ser/S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Kleber | GAA, GAG | Thr/T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly/G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp/W | UGG |
| Sein/H | CAU, CAC | Tyr/Y | UAU, UAC |
| Ile/I | AUU, AUC, AUA | Val/V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| START | AUG | STOPPEN | UAG, UGA, UAA |
Variationen im standardmäßigen genetischen Code
Das erste Beispiel einer Abweichung vom genetischen Standardcode wurde 1979 bei einer Untersuchung menschlicher mitochondrialer Gene entdeckt. Seitdem wurden mehrere ähnliche Varianten gefunden, darunter eine Vielzahl alternativer mitochondrialer Codes, beispielsweise die Lesung des Stoppcodons UGA als das Codon, das Tryptophan in Mykoplasmen spezifiziert. Bei Bakterien und Archaeen werden HG und UG häufig als Startcodons verwendet. In einigen Fällen beginnen Gene mit der Codierung eines Proteins an einem Startcodon, das sich von dem normalerweise von der Art verwendeten unterscheidet.
In einigen Proteinen werden nicht standardmäßige Aminosäuren wie Selenocystein und Pyrrolysin durch ein Ribosom eingefügt, das das Stoppcodon liest, abhängig von den Sequenzen in der mRNA. Selenocystein gilt heute als die 21. und Pyrrolysin als die 22. der Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen.
Trotz dieser Ausnahmen haben alle lebenden Organismen gemeinsame genetische Codes: Codons bestehen aus drei Nukleotiden, wobei die ersten beiden entscheidend sind; Codons werden von tRNA und Ribosomen in eine Sequenz von Aminosäuren übersetzt.
| Beispiel | Codon | Normale Bedeutung | Liest sich wie: |
|---|---|---|---|
| Einige Arten von Hefe Candida | C.U.G. | Leucin | Serin |
| Mitochondrien, insbesondere in Saccharomyces cerevisiae | CU(U, C, A, G) | Leucin | Serin |
| Mitochondrien höherer Pflanzen | CGG | Arginin | Tryptophan |
| Mitochondrien (in allen untersuchten Organismen ausnahmslos) | U.G.A. | Stoppen | Tryptophan |
| Kerngenom von Ciliaten Euplotes | U.G.A. | Stoppen | Cystein oder Selenocystein |
| Mitochondrien von Säugetieren, Drosophila, S. cerevisiae und viele Protozoen | AUA | Isoleucin | Methionin = Start |
| Prokaryoten | G.U.G. | Valin | Start |
| Eukaryoten (selten) | C.U.G. | Leucin | Start |
| Eukaryoten (selten) | G.U.G. | Valin | Start |
| Prokaryoten (selten) | UUG | Leucin | Start |
| Eukaryoten (selten) | A.C.G. | Threonin | Start |
| Mitochondrien von Säugetieren | AGC, AGU | Serin | Stoppen |
| Drosophila-Mitochondrien | A.G.A. | Arginin | Stoppen |
| Mitochondrien von Säugetieren | EIN GAG) | Arginin | Stoppen |
Evolution
Es wird angenommen, dass sich der Triplett-Code schon recht früh in der Evolution des Lebens entwickelt hat. Aber die Existenz von Unterschieden bei einigen Organismen, die in unterschiedlichen Entwicklungsstadien auftraten, deutet darauf hin, dass er nicht immer so war.
Einigen Modellen zufolge existierte der Code zunächst in einer primitiven Form, als eine kleine Anzahl von Codons eine relativ kleine Anzahl von Aminosäuren bezeichnete. Genauere Codonbedeutungen und mehr Aminosäuren könnten später eingeführt werden. Zunächst konnten nur die ersten beiden der drei Basen zur Erkennung genutzt werden [was von der Struktur der tRNA abhängt].
- Lewin B. Gene. M.: 1987. S. 62.
siehe auch
Anmerkungen
- Sanger F. (1952). „Die Anordnung von Aminosäuren in Proteinen.“ Adv. Proteinchemie. 7 : 1-67. PMID.
- Ichas M. Biologischer Code. - M.: Mir, 1971.
- Watson J. D., Crick F. H. (April 1953). „Molekulare Struktur von Nukleinsäuren; eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure.“ Natur. 171 : 737-738. PMID. Referenz)
- Watson J. D., Crick F. H. (Mai 1953). „Genetische Implikationen der Struktur der Desoxyribonukleinsäure.“ Natur. 171 : 964-967. PMID. Verwendet den veralteten Parameter |month= (Hilfe)
- Crick F. H. (April 1966). „Der genetische Code – gestern, heute und morgen.“ Kalter Frühling Harb. Symp. Quant. Biol.: 1-9. PMID. Verwendet den veralteten Parameter |month= (Hilfe)
- Gamow G. (Februar 1954). „Möglicher Zusammenhang zwischen Desoxyribonukleinsäure und Proteinstrukturen.“ Natur. 173 : 318. DOI:10.1038/173318a0. PMID. Verwendet den veralteten Parameter |month= (Hilfe)
- Gamow G., Rich A., Ycas M. (1956). „Das Problem der Informationsübertragung von den Nukleinsäuren auf Proteine.“ Adv. Bio.l Med. Physik.. 4 : 23-68. PMID.
- Gamow G, Ycas M. (1955). „Statistische Korrelation der Protein- und Ribonukleinsäurezusammensetzung“ . Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA.. 41 : 1011-1019. PMID.
- Crick F. H., Griffith J. S., Orgel L. E. (1957).
Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der die Sequenzinformationen von zwanzig Aminosäuren mithilfe einer Sequenz aus vier Nukleotiden kodiert werden.
Gencode-Eigenschaften
1) Dreifachheit
Eine Aminosäure wird durch drei Nukleotide kodiert. In der DNA werden sie als Triplett bezeichnet, in der mRNA als Codon und in der tRNA als Anticodon. Insgesamt gibt es 64 Tripletts, 61 davon kodieren für Aminosäuren und 3 sind Stoppsignale – sie zeigen dem Ribosom die Stelle, an der die Proteinsynthese aufhören soll.
2) Entartung (Redundanz)
Es gibt 61 Codons, die für Aminosäuren kodieren, aber nur 20 Aminosäuren, sodass die meisten Aminosäuren durch mehrere Codons kodiert werden. Beispielsweise wird die Aminosäure Alanin von vier Codons kodiert – HCU, HCC, HCA, HCH. Die Ausnahme ist Methionin, es wird von einem Codon AUG kodiert – bei Eukaryoten ist dies das Startcodon während der Übersetzung.
3) Eindeutigkeit
Jedes Codon kodiert nur für eine Aminosäure. Beispielsweise kodiert das HCU-Codon nur eine Aminosäure – Alanin.
4) Kontinuität
Zwischen einzelnen Triolen gibt es keine Trennzeichen („Satzzeichen“). Aus diesem Grund kommt es beim Löschen oder Einfügen eines Nukleotids zu einer „Verschiebung des Leserahmens“: Ausgehend von der Mutationsstelle wird das Lesen des Triplett-Codes gestört und ein völlig anderes Protein synthetisiert.
5) Vielseitigkeit
Der genetische Code ist für alle lebenden Organismen auf der Erde derselbe.
