Vezető tudományos folyóirat Természet bejelentette egy második genetikai kód felfedezését - egyfajta "kód a kódban", amelyet a közelmúltban molekuláris biológusok és számítógép-programozók törtek fel. Ráadásul ennek felfedésére nem evolúcióelméletet, hanem információtechnológiát alkalmaztak.

Új kód az úgynevezett Splicing Code. A DNS-ben van. Ez a kód nagyon összetett, de megjósolható módon szabályozza a mögöttes genetikai kódot. Az illesztési kód szabályozza, hogy a gének és a szabályozó elemek hogyan és mikor kerüljenek összeállításra. Ennek a kódnak a kódon belüli felfedése segít rávilágítani a genetika néhány régóta fennálló titkaira, amelyek a Complete Human Genome Sequencing Project óta felszínre kerültek. Az egyik ilyen rejtély az volt, hogy miért csak 20 000 gén van egy olyan összetett szervezetben, mint az ember? (A tudósok arra számítottak, hogy sokkal többet találnak.) Miért bontják szét a géneket szegmensekre (exonokra), amelyeket nem kódoló elemek (intronok) választanak el, majd a transzkripció után összekapcsolódnak (azaz összeillesztik)? És miért kapcsolódnak be a gének egyes sejtekben és szövetekben, másokban miért nem? Két évtizedig molekuláris biológusok megpróbálta tisztázni a genetikai szabályozás mechanizmusait. Ez a cikk rámutat egy nagyon fontos pont megérteni, mi történik valójában. Nem válaszol minden kérdésre, de megmutatja, hogy a belső kód létezik. Ez a kód egy olyan kommunikációs rendszer, amely olyan egyértelműen megfejthető, hogy a tudósok megmagyarázhatatlan pontossággal megjósolhatják, hogyan viselkedhet egy genom bizonyos helyzetekben.

Képzelje el, hogy a szomszéd szobában egy zenekart hall. Kinyitod az ajtót, benézel, és három-négy zenészt látsz hangszeren a szobában. A kód nyilvánosságra hozatalában részt vevő Brandon Frey szerint így néz ki emberi genom. Mondja: „Csak 20 000 gént tudtunk kimutatni, de tudtuk, hogy ezek rengeteg fehérjeterméket és szabályozóelemet alkotnak. Hogyan? Az egyik módszer az úgynevezett alternatív splicing". Különböző exonok (a gének részei) összeállhatnak különböző utak. "Például a neurexin fehérje három génje több mint 3000 genetikai üzenetet hozhat létre, amelyek segítenek az agy vezetékrendszerének szabályozásában."– mondja Frey. Közvetlenül a cikkben az áll, hogy a tudósok tudják, hogy génjeink 95%-a rendelkezik alternatív splicinggel, és a legtöbb esetben a transzkriptumok (transzkripcióból származó RNS-molekulák) eltérő módon fejeződnek ki a különböző típusú sejtekben és szövetekben. Kell lennie valaminek, ami szabályozza, hogy ez a több ezer kombináció hogyan épül fel és fejeződik ki. Ez a Splicing Code feladata.

Azok az olvasók, akik szeretnének egy gyors áttekintést kapni a felfedezésről, elolvashatják a cikket a címen Science Daily jogosult "A "Splicing Code"-ot feltörő kutatók megfejtik a biológiai összetettség mögött meghúzódó rejtélyt.". A cikk ezt írja: "A Torontói Egyetem tudósai alapvetően új ismereteket szereztek arról, hogy az élő sejtek miként használnak korlátozott számú gént olyan hihetetlenül összetett szervek kialakítására, mint az agy.". Maga a Nature magazin Heidi Ledford „Kód a kódon belül” című könyvével kezdődik. Ezt követte Tejedor és Valcarcel „Génszabályozás: A második genetikai kód megtörése” című írása. Végül a Torontói Egyetem kutatóinak Benjamin D. Blencoe és Brandon D. Frey vezette kutatócsoportjának „Az illesztési kód megfejtése” című tanulmánya döntő volt.

Ez a cikk egy információtudományi győzelem, amely a második világháború kódtörőire emlékeztet bennünket. Módszereik közé tartozott az algebra, a geometria, a valószínűségszámítás, a vektorszámítás, az információelmélet, a programkód-optimalizálás és más fejlett technikák. Amire nem volt szükségük, az evolúciós elmélet , amelyről tudományos cikkek soha nem kerültek szóba. A cikk elolvasása után láthatja, mekkora feszültség alatt vannak a nyitány szerzői:

„Egy olyan „illesztési kód” sémát írunk le, amely több száz RNS-tulajdonság kombinációit használja fel, hogy előre jelezze a szövet által közvetített változásokat több ezer exon alternatív splicingjében. A kód létrehozza az illesztési minták új osztályait, felismeri a különböző szabályozó programokat a különböző szövetekben, és mutációvezérelt szabályozó szekvenciákat hoz létre. Széles körben használt szabályozási stratégiákat tártunk fel, többek között: váratlanul nagy ingatlankészletek használata; alacsony szintű exonzárvány kimutatása, amelyet bizonyos szövetek tulajdonságai gyengítenek; a tulajdonságok megnyilvánulása az intronokban mélyebb, mint azt korábban gondolták; és a splice variáns szintjeinek modulálása az átirat szerkezeti jellemzői által. A kód segített létrehozni egy olyan exonosztályt, amelyek bezárása elnémítja az expressziót a felnőtt szövetekben, aktiválva az mRNS lebomlását, és amelyek kizárása elősegíti az expressziót az embriogenezis során. A kód megkönnyíti az alternatív splicing genomszintű szabályozott eseményeinek feltárását és részletes leírását.”

A kódot feltörő csapatban az Elektronikai Tanszék szakemberei és Számítástechnika, valamint a Molekuláris Genetikai Tanszékről. (Frey maga a Microsoft Researchnél, a Microsoft Corporation részlegénél dolgozik) A múlt dekódereihez hasonlóan Frey és Barash is fejlesztette "egy új, számítógéppel segített biológiai elemzés, amely a genomban rejtett "kódszavakat" észleli". A molekuláris genetikusok által létrehozott hatalmas mennyiségű adat segítségével kutatók egy csoportja végrehajtotta a splicing kód "visszafejtését" amíg meg nem tudták jósolni, hogyan fog cselekedni. Miután a kutatók rájöttek a dologra, tesztelték a kódot a mutációk szempontjából, és megnézték, hogyan helyezték be vagy távolították el az exonokat. Azt találták, hogy a kód akár szövetspecifikus változásokat is okozhat, vagy eltérően hathat attól függően, hogy felnőtt egérről vagy embrióról van-e szó. Az egyik gén, az Xpo4, a rákkal kapcsolatos; A kutatók megjegyezték: „Ezek az adatok alátámasztják azt a következtetést, hogy az Xpo4 génexpressziót szigorúan ellenőrizni kell, hogy elkerüljük a lehetséges káros hatásokat, beleértve az onkogenezist (rák), mivel az embriogenezis során aktív, de a felnőtt szövetekben csökken. Kiderült, hogy teljesen meglepte őket az ellenőrzés mértéke, amit láttak. Szándékosan vagy sem, Frey nem a véletlenszerű variációt és szelekciót használta nyomként, hanem az intelligens tervezés nyelvét. Megjegyezte: "Egy összetett biológiai rendszer megértése olyan, mint egy összetett elektronikus áramkör megértése."

Heidi Ledford azt mondta, hogy Watson-Crick genetikai kódjának látszólagos egyszerűsége, négy bázisával, triplett kodonjaival, 20 aminosavával és 64 DNS „karakterével” – egész bonyolult világot rejt magában. Bebörtönözték ezen belül egyszerű kód A splicing kód sokkal bonyolultabb.

De a DNS és a fehérjék között az RNS, egy különálló összetett világ található. Az RNS egy transzformátor, amely néha genetikai üzeneteket hordoz, néha pedig irányítja azokat, miközben számos olyan struktúrát használ, amelyek befolyásolhatják a működését. Ugyanebben a számban megjelent cikkben a Benjamin D. Blencow és Brandon D. Frey vezette kutatócsoport az Ontariói Torontói Egyetemen (Kanada) egy második genetikai kód feltárására tett kísérletekről számol be, amely képes megjósolni, hogy egy adott génről átírt hírvivő RNS-szegmensek hogyan keveredhetnek és illeszthetnek össze különféle termékeket a különböző szövetekben. Ezt a folyamatot alternatív illesztésnek nevezik. Ezúttal nincs egyszerű táblázat, hanem olyan algoritmusok, amelyek a DNS több mint 200 különböző tulajdonságát kombinálják az RNS szerkezetének meghatározásával.

E kutatók munkája rámutat arra, hogy a számítási módszerek gyors előrehaladást értek el az RNS modellezésében. Az alternatív splicing megértése mellett a számítástechnika segít a tudósoknak megjósolni az RNS-struktúrákat és azonosítani az RNS kis szabályozó fragmentumait, amelyek nem kódolnak fehérjéket. "Csodálatos idő van", mondja Christopher Berg, a Cambridge-i Massachusetts Institute of Technology számítógépes biológusa. „A jövőben óriási sikerünk lesz”.

A számítástechnika, a számítógépes biológia, az algoritmusok és a kódok nem szerepeltek Darwin szókincsében, amikor elméletét kidolgozta. Mendelnek volt egy nagyon leegyszerűsített modellje arról, hogyan oszlanak meg a tulajdonságok az öröklődés során. Ráadásul azt az elképzelést, hogy a funkciók kódolva vannak, csak 1953-ban vezették be. Látjuk, hogy az eredeti genetikai kódot egy még összetettebb kód szabályozza, amely benne van. Ezek forradalmi gondolatok.. Ráadásul minden jel arra mutat ez az ellenőrzési szint nem utolsó. Ledford emlékeztet arra, hogy például az RNS-nek és a fehérjéknek háromdimenziós szerkezetük van. A molekulák funkciója megváltozhat, ha alakjuk megváltozik, kell lennie valaminek, ami szabályozza a hajtogatást, hogy a háromdimenziós szerkezet azt tegye, amit a funkció megkövetel. Ráadásul úgy tűnik, hogy a génekhez való hozzáférést szabályozzák másik kód, hiszton kód. Ezt a kódot a hisztonfehérjéken található molekuláris markerek vagy "farok" kódolják, amelyek a DNS tekercselésének és szuperspirálozásának központjaként szolgálnak. Ledford korunkat leírva arról beszél „permanens reneszánsz az RNC informatikában”.

Tejedor és Valcarcel egyetértenek abban, hogy az egyszerűség mögött összetettség áll. "Elméletileg minden nagyon egyszerűnek tűnik: a DNS RNS-t képez, amely aztán fehérjét hoz létre", - kezdik cikküket. – De a valóság sokkal bonyolultabb.. Az 1950-es években megtanultuk, hogy a baktériumoktól az emberekig minden élő szervezet rendelkezik egy alapvető genetikai kóddal. De hamar rájöttünk, hogy az összetett organizmusoknak (eukariótáknak) van néhány természetellenes és nehezen érthető tulajdonságuk: genomjukban sajátos szakaszok, intronok vannak, amelyeket el kell távolítani, hogy az exonok összekapcsolódhassanak. Miért? Ma tisztul a köd „Ennek a mechanizmusnak az a fő előnye, hogy lehetővé teszi különböző sejtek alternatív módokat választanak a hírvivő RNS-prekurzor (pre-mRNS) összeillesztésére, és így egy gén különböző üzeneteket alkot”. magyarázzák, „és akkor különböző mRNS-ek kódolhatnak különböző fehérjék Val vel különféle funkciókat» . Kevesebb kódból több információhoz jut, ha van egy másik kód a kódban, amely tudja, hogyan kell ezt megtenni.

A splicing kód feltörését az teszi olyan nehézzé, hogy az exonok összeállítását szabályozó tényezőket sok más tényező határozza meg: az exonhatárok közelében lévő szekvenciák, intronszekvenciák és szabályozó tényezők, amelyek vagy segítik vagy gátolják az illesztési mechanizmust. Kívül, "egy bizonyos szekvencia vagy faktor hatása változhat attól függően, hogy hol helyezkedik el az intron-exon vagy más szabályozó motívumok határaihoz képest", - magyarázza Tejedor és Valcarcel. "Ebből adódóan kihívást jelentő feladat A szövetspecifikus splicing előrejelzésében számtalan motívum algebráját és az ezeket felismerő szabályozó tényezők közötti kapcsolatokat kell kiszámítani.".

A probléma megoldása érdekében egy kutatócsoport hatalmas mennyiségű adatot vitt be a számítógépbe az RNS-szekvenciákról és azok kialakulásának körülményeiről. "A számítógép ezután azt a feladatot kapta, hogy azonosítsa a tulajdonságok azon kombinációját, amely a legjobban magyarázza a kísérletileg megállapított szövetspecifikus exonszelekciót.". Más szóval, a kutatók visszafejtették a kódot. A második világháborús kódtörőkhöz hasonlóan, amint a tudósok ismerik az algoritmust, előrejelzéseket készíthetnek: "Helyesen és pontosan azonosította az alternatív exonokat, és megjósolta a szövettípus-párok közötti eltérő szabályozást." És mint minden jó tudományos elmélet, a felfedezés is új betekintést nyújtott: "Ez lehetővé tette számunkra, hogy újra megmagyarázzuk a korábban kialakult szabályozási motivációkat, és rámutatott az ismert szabályozók korábban ismeretlen tulajdonságaira, valamint a köztük lévő váratlan funkcionális kapcsolatokra." jegyezték meg a kutatók. "Például a kód arra utal, hogy a feldolgozott fehérjékhez vezető exonok beépítése általános mechanizmus a génexpressziós folyamat szabályozására az embrionális szövetből a felnőtt szövetbe való átmenet során.".

Tejedor és Valcarcel fontolóra veszi cikkük közzétételét fontos először lépés: "A munkát... jobb úgy tekinteni, mint a sokkal nagyobb Rosetta-kő első töredékének felfedezését, amelyre genomunk alternatív üzeneteinek megfejtéséhez volt szükség." E tudósok szerint a jövőbeli kutatások kétségtelenül javítani fogják az új kóddal kapcsolatos ismereteiket. Cikkük végén futólag megemlítik az evolúciót, és ezt egészen szokatlan módon teszik. Azt mondják: „Ez nem azt jelenti, hogy az evolúció hozta létre ezeket a kódokat. Ez azt jelenti, hogy a fejlődéshez meg kell érteni, hogy a kódok hogyan hatnak egymásra. További meglepetés volt, hogy az eddig megfigyelt védettség mértéke felveti a "fajspecifikus kódok" lehetséges létezésének kérdését..

A kód valószínűleg minden egyes sejtben működik, ezért több mint 200 típusú emlős sejtért kell felelősnek lennie. Meg kell birkóznia az alternatív illesztési sémák széles választékával is, nem is beszélve egyszerű megoldások egyetlen exon felvételéről vagy kihagyásáról. Az alternatív splicing szabályozásának korlátozott evolúciós megtartása (a becslések szerint körülbelül 20% az ember és az egér között) felveti a fajspecifikus kódok létezésének kérdését. Ezenkívül a DNS-feldolgozás és a géntranszkripció közötti kapcsolat befolyásolja az alternatív splicinget, és a legújabb bizonyítékok arra utalnak, hogy a DNS-t hisztonfehérjék és a hiszton kovalens módosításai (az úgynevezett epigenetikai kód) csomagolják a splicing szabályozásában. Ezért a jövőbeli módszereknek meg kell határozniuk a pontos kölcsönhatást a hiszton kód és a splicing kód között. Ugyanez vonatkozik a komplex RNS-struktúráknak az alternatív splicingre gyakorolt ​​​​még kevéssé ismert hatására.

Kódok, kódok és további kódok. Az a tény, hogy a tudósok szinte semmit sem mondanak a darwinizmusról ezekben az iratokban, azt jelzi, hogy az evolúciós teoretikusoknak, a régi eszmék és hagyományok híveinek sokat kell gondolkodniuk, miután elolvasták ezeket a dolgozatokat. De azok lesznek az élen, akik lelkesednek a kódok biológiájában. Remek lehetőségük nyílik arra, hogy kihasználják azt az izgalmas webalkalmazást, amelyet a kódtörők a további felfedezések ösztönzése érdekében hoztak létre. Megtalálható a Torontói Egyetem "Alternative Splicing Prediction Website" nevű weboldalán. A látogatók hiába keresik itt az evolúció említését, annak ellenére, hogy a régi axióma szerint a biológiában semminek sincs értelme nélküle. Egy új verzió ez a 2010-es kifejezés így hangozhat: "A biológiában semminek sincs értelme, hacsak nem a számítástechnika fényében nézzük" .

Linkek és jegyzetek

Örülünk, hogy a megjelenés napján beszámolhattunk erről a történetről. Talán ez az év egyik legjelentősebb tudományos cikke. (Természetesen minden nagy felfedezés, amelyet más tudóscsoportok tesznek, mint például Watson és Crick felfedezése, jelentőségteljes.) Erre csak annyit mondhatunk: „Hűha!” Ez a felfedezés figyelemre méltó megerősítése a Tervezett Teremtésnek, és hatalmas kihívás a darwini birodalom számára. Érdekes, hogy az evolucionisták ezen új adatok fényében hogyan próbálják majd korrigálni a véletlenszerű mutációk és a természetes szelekció leegyszerűsített történetét, amelyet még a 19. században találtak ki.

Érted, miről beszél Tejedor és Valcarcel? A nézetek saját kóddal rendelkezhetnek az adott nézetekhez. "Ezért a jövőbeli módszereknek meg kell határozniuk a hiszton [epigenetikus] kód és a splicing kód közötti pontos kölcsönhatást" - jegyzik meg. Lefordítva ez azt jelenti: „A darwinistáknak semmi közük ehhez. Egyszerűen nem bírják." Ha Watson-Crick egyszerű genetikai kódja problémát jelentett a darwinistáknak, akkor mit mondanak most a splicing kódról, amely több ezer átiratot hoz létre ugyanazokból a génekből? És hogyan fognak bánni a génexpressziót szabályozó epigenetikai kóddal? És ki tudja, lehet, hogy ebben a hihetetlen „kölcsönhatásban”, amelyet most kezdünk megismerni, más kódok is szerepet kapnak, amelyek a Rosetta-kőre emlékeztetnek, és csak most kezdenek előbújni a homokból?

Most, hogy a kódokon és a számítástechnikán gondolkodunk, elkezdünk gondolkodni az új kutatások különböző paradigmáiról. Mi van, ha a genom részben tárolóhálózatként működik? Mi van, ha kriptográfia történik benne, vagy tömörítési algoritmusok lépnek fel? Emlékeznünk kell a modern információs rendszerekre és információtárolási technológiákra. Talán még a szteganográfia elemeit is megtaláljuk. Kétségtelenül léteznek további rezisztencia-mechanizmusok, mint például a duplikációk és korrekciók, amelyek segíthetnek megmagyarázni a pszeudogének létezését. A teljes genom másolása válasz lehet a stresszre. E jelenségek némelyike ​​hasznos indikátor lehet történelmi események, amelyeknek semmi közük egy univerzális közös őshöz, de segítik az összehasonlító genomika feltárását az informatika és a rezisztencia tervezésen belül, és segítenek megérteni a betegség okát.

Az evolucionisták nagy nehézségekbe ütköznek. A kutatók megpróbálták módosítani a kódot, de csak rákot és mutációkat kaptak. Hogyan fognak eligazodni a fitnesz területén, amikor az egészet katasztrófák várják a szárnyakban, amint valaki elkezdi manipulálni ezeket az elválaszthatatlanul összekapcsolódó kódokat? Tudjuk, hogy van némi beépített rugalmasság és hordozhatóság, de az összkép egy hihetetlenül összetett, megtervezett, optimalizált információs rendszer, nem pedig a végtelenségig játszható darabok zagyvasága. A kód egész ötlete az intelligens tervezés fogalma.

A.E. Wilder-Smith ezt hangsúlyozta. A kód a két rész közötti megállapodást feltételez. A megállapodás előzetes megállapodás. Ez tervezést és célt jelent. Az SOS szimbólumot, ahogy Wilder-Smith mondaná, megegyezés szerint vészjelzésként használjuk. Az SOS nem tűnik katasztrófának. Nincs katasztrófa szaga. Nem katasztrófának tűnik. Az emberek nem értenék meg, hogy ezek a levelek katasztrófát jelentenek, ha nem értenék magának a megállapodásnak a lényegét. Hasonlóképpen, egy alanin kodon, a HCC, nem úgy néz ki, nem szagol, vagy nem olyan, mint az alanin. Egy kodonnak semmi köze nem lenne az alaninhoz, hacsak nem lenne előre megállapított megállapodás a két kódolórendszer (fehérjekód és DNS-kód) között, miszerint "a GCC-nek az alanint kell jelentenie". Ennek az egyetértésnek a közvetítésére transzducerek családját, az aminoacil-tRNS szintetázokat használják, amelyek az egyik kódot a másikba fordítják.

Ennek az volt a célja, hogy megerősítse a tervezés elméletét az 1950-es években, és sok kreacionista hatékonyan hirdette azt. De az evolucionisták olyanok, mint az ékesszóló eladók. Kitalálták meséiket a Tinker Bell tündérről, aki megfejti a kódot, és mutációval és szelekcióval új fajokat hoz létre, és sok embert meggyőztek arról, hogy csodák még ma is történhetnek. Nos, nos, ma a 21. század van az ablakon kívül, és ismerjük az epigenetikai kódot és a splicing kódot – két kódot, amelyek sokkal összetettebbek és dinamikusabbak, mint a DNS egyszerű kódja. Ismerjük a kódokon belüli kódokat, a kódok feletti és alatti kódokat – ismerjük a kódok teljes hierarchiáját. Ezúttal az evolucionisták nem tehetik egyszerűen fegyverbe az ujjukat, és blöffölhetnek minket szép beszédek amikor mindkét oldalon fegyvereket helyeznek el - egy egész arzenál a fő szerkezeti elemeikre irányul. Mindez egy játék. Az informatika egész korszaka nőtt körülöttük, már rég kimentek a divatból, és úgy néznek ki, mint a görögök, akik lándzsákkal próbálnak felmászni a modern tankokra és helikopterekre.

Szomorú bevallani, hogy az evolucionisták ezt nem értik, vagy ha igen, akkor sem adják fel. Egyébként ezen a héten, éppen akkor, amikor megjelent a Splicing Code-ról szóló cikk, a közelmúlt leggonoszabb és leggyűlöletesebb teremtésellenes és intelligens tervezési retorikája ömlött a darwinista magazinok és újságok lapjairól. Még sok ilyen példát nem hallunk. És amíg a mikrofonokat a kezükben tartják, és irányítják az intézményeket, sokan bedőlnek nekik, azt gondolva, hogy a tudomány továbbra is jó okot ad rájuk. Mindezt azért mondjuk el, hogy elolvassa ezt az anyagot, tanulmányozza, megértse, és felhalmozza azokat az információkat, amelyekre szüksége van ahhoz, hogy az igazsággal leküzdje ezt a fanatikus, félrevezető hülyeséget. Na, hajrá!

A jobb oldalon látható a várnai (Bulgária) tengerpartján a legnagyobb emberi DNS-spirál, amely 2016. április 23-án bekerült a Guinness Rekordok Könyvébe.

Dezoxiribonukleinsav. Általános információ

A DNS (dezoxiribonukleinsav) egyfajta életrajz, egy összetett kód, amely örökletes információkkal kapcsolatos adatokat tartalmaz. Ez az összetett makromolekula képes az örökletes genetikai információk tárolására és továbbítására generációról generációra. A DNS meghatározza bármely élő szervezet olyan tulajdonságait, mint az öröklődés és a változékonyság. A benne kódolt információ meghatározza bármely élő szervezet teljes fejlődési programját. A genetikailag beágyazott tényezők előre meghatározzák az ember és bármely más szervezet teljes életútját. A külső környezet mesterséges vagy természetes hatása csak kis mértékben befolyásolhatja az egyes genetikai tulajdonságok általános súlyosságát, vagy befolyásolhatja a programozott folyamatok fejlődését.

Dezoxiribonukleinsav(DNS) egy makromolekula (a három fő közül az egyik, a másik kettő az RNS és a fehérjék), amely biztosítja a tárolást, a nemzedékről nemzedékre történő átvitelt és az élő szervezetek fejlődését és működését biztosító genetikai program végrehajtását. A DNS információkat tartalmaz a szerkezetről különféle fajták RNS és fehérjék.

Az eukarióta sejtekben (állatok, növények és gombák) a DNS a sejtmagban a kromoszómák részeként, valamint egyes sejtszervecskékben (mitokondriumokban és plasztidokban) található. A prokarióta szervezetek (baktériumok és archaeák) sejtjeiben belülről körkörös vagy lineáris DNS-molekula, az ún. sejt membrán. Nekik és az alacsonyabb rendű eukariótáknak (például az élesztőknek) is vannak kis autonóm, többnyire kör alakú DNS-molekulái, amelyeket plazmidoknak neveznek.

Kémiai szempontból a DNS egy hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll. A láncban lévő nukleotidok közötti kötéseket a dezoxiribóz ( VAL VEL) és foszfát ( F) csoportok (foszfodiészter kötések).

Rizs. 2. A nukleid egy nitrogéntartalmú bázisból, cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll

Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-t tartalmazó vírust) a DNS makromolekula két láncból áll, amelyeket nitrogénbázisok orientálnak egymáshoz. Ez a kétszálú molekula csavarvonalban csavarodott.

A DNS-ben négyféle nitrogénbázis található (adenin, guanin, timin és citozin). Az egyik lánc nitrogéntartalmú bázisai hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a másik lánc nitrogénbázisaihoz a komplementaritás elve szerint: az adenin csak a timinnel kombinálódik ( NÁL NÉL), guanin - csak citozinnal ( G-C). Ezek a párok alkotják a DNS spirális "létrájának" "fokait" (lásd: 2., 3. és 4. ábra).

Rizs. 2. Nitrogéntartalmú bázisok

A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi az RNS különböző típusaira vonatkozó információk "kódolását", amelyek közül a legfontosabbak az információs vagy templát (mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS). Az összes ilyen típusú RNS szintetizálódik a DNS-templáton úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába másolja, és részt vesz a fehérje bioszintézisében (transzlációs folyamat). A sejt-DNS a kódoló szekvenciákon kívül olyan szekvenciákat is tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el.

Rizs. 3. DNS replikáció

Az alapvető kombinációk elhelyezkedése kémiai vegyületek A DNS és e kombinációk közötti kvantitatív kapcsolatok biztosítják az örökletes információk kódolását.

Oktatás új DNS (replikáció)

1. A replikáció folyamata: a DNS kettős hélix feltekercselése - komplementer szálak szintézise DNS polimeráz által - két DNS-molekula képződése egyből.
2. A kettős hélix két ágra "bontja ki a cipzárt", amikor az enzimek megszakítják a kötést a kémiai vegyületek bázispárjai között.
3. Mindegyik ág egy új DNS-elem. Az új bázispárok ugyanabban a sorrendben kapcsolódnak össze, mint a szülőágban.

A duplikáció befejeztével két független hélix jön létre, amelyek az anya-DNS kémiai vegyületeiből jönnek létre, és ugyanazzal a genetikai kóddal rendelkeznek. Ily módon a DNS képes az információt sejtről sejtre hasítani.

Részletesebb információ:

A NULEINSAVAK SZERKEZETE

Rizs. 4. Nitrogénbázisok: adenin, guanin, citozin, timin

Dezoxiribonukleinsav(DNS) nukleinsavakat jelent. Nukleinsavak a szabálytalan biopolimerek osztálya, amelyek monomerjei nukleotidok.

NUKLEOTIDOK magába foglal nitrogén bázis 5 szénhidráthoz (pentóz) kapcsolódik - dezoxiribóz(DNS esetén) ill ribóz(RNS esetén), amely egy foszforsav-maradékkal (H 2 PO 3 -) egyesül.

Nitrogéntartalmú bázisok Két típusa van: pirimidin bázisok - uracil (csak RNS-ben), citozin és timin, purin bázisok - adenin és guanin.

Rizs. 5. ábra: A nukleotidok szerkezete (balra), a nukleotid elhelyezkedése a DNS-ben (lent) és a nitrogénbázisok típusai (jobbra): pirimidin és purin

A pentózmolekulák szénatomjai 1-től 5-ig vannak számozva. A foszfát a harmadik és az ötödik szénatommal egyesül. A nukleinsavak így kapcsolódnak egymáshoz, és így nukleinsavláncot alkotnak. Így izolálhatjuk a DNS-szál 3' és 5' végét:

Rizs. 6. A DNS-szál 3' és 5' végének izolálása

Két DNS-szál képződik kettős spirál. Ezek a spirálban lévő láncok ellentétes irányúak. A DNS különböző szálaiban a nitrogénbázisok a segítségével kapcsolódnak egymáshoz hidrogénkötések. Az adenin mindig timinnel, a citozin pedig mindig guaninnal kombinálódik. Ez az úgynevezett komplementaritási szabály(cm. a komplementaritás elve).

Komplementaritási szabály:

A-T G-C

Például, ha kapunk egy DNS-szálat, amely a szekvenciával rendelkezik

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a második lánc kiegészíti azt, és az ellenkező irányba irányítja - az 5'-végtől a 3'-végig:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Rizs. 7. A DNS-molekula láncainak iránya és a nitrogénbázisok kapcsolódása hidrogénkötések segítségével

DNS REPLIKÁCIÓ

DNS replikáció egy DNS-molekula megkettőzésének folyamata azáltal mátrix szintézis. A legtöbb esetben a természetes DNS-replikációalapozómert a DNS-szintézis az rövid részlet (újra létrehozva). Az ilyen ribonukleotid primert a primáz enzim hozza létre (prokariótákban DNS-primáz, eukariótákban DNS-polimeráz), majd ezt követően dezoxiribonukleotid-polimeráz helyettesíti, amely normál esetben javító funkciókat lát el (korrigálja a DNS-molekula kémiai károsodásait és töréseit).

A replikáció félig konzervatív módon történik. Ez azt jelenti, hogy a DNS kettős hélixe feltekerődik, és a komplementaritás elve szerint minden láncon új lánc készül. A leány-DNS-molekula tehát egy szálat tartalmaz a szülőmolekulából és egy újonnan szintetizáltat. A replikáció a szülőszál 3'-5' irányában történik.

Rizs. 8. A DNS-molekula replikációja (duplázódása).

DNS szintézis- ez nem olyan bonyolult folyamat, mint amilyennek első pillantásra tűnhet. Ha belegondolsz, akkor először ki kell találnod, mi a szintézis. Ez az a folyamat, amikor valamit összehozunk. Az új DNS-molekula kialakulása több szakaszban történik:

1) A replikációs villa előtt található DNS-topoizomeráz elvágja a DNS-t, hogy megkönnyítse annak le- és letekercselését.
2) A topoizomerázt követő DNS-helikáz befolyásolja a DNS-hélix "letekercselésének" folyamatát.
3) A DNS-kötő fehérjék elvégzik a DNS-szálak megkötését, valamint stabilizálásukat, megakadályozva azok egymáshoz tapadását.
4) DNS polimeráz δ(delta) , a replikációs villa mozgási sebességével összehangolva végzi a szintézistvezetőláncok leányvállalat DNS a mátrixon 5" → 3" irányban anyai DNS-szálak a 3"-os végétől az 5"-es végéig (sebesség akár 100 bázispár másodpercenként). Ezek az események erről anyai A DNS-szálak korlátozottak.

Rizs. 9. ábra A DNS-replikációs folyamat sematikus ábrázolása: (1) Lemaradó szál (retarding szál), (2) Vezető szál (vezető szál), (3) DNS polimeráz α (Polα), (4) DNS ligáz, (5) RNS primer, (6) Primáz, (7) Okazaki fragmentum, (8) DNAPol-α δ (S9) polimeráz szálú DNS-kötő fehérjék, (11) topoizomeráz.

A lemaradt leány DNS-szál szintézisét az alábbiakban ismertetjük (lásd alább). rendszer replikációs villa és a replikációs enzimek funkciói)

A DNS-replikációval kapcsolatos további információkért lásd:

5) Közvetlenül az anyamolekula másik szálának letekercselése és stabilizálása után csatlakozikDNS polimeráz α(alfa)és az 5. irányban "→3" primert (RNS primert) szintetizál - egy DNS-templáton lévő RNS-szekvenciát, amelynek hossza 10-200 nukleotid. Ezt követően az enzimeltávolítjuk a DNS-szálból.

Ahelyett DNS polimerázα az alapozó 3"-os végéhez rögzítve DNS polimerázε .

6) DNS polimerázε (epszilon) mintha továbbra is meghosszabbítja az alapozót, hanem szubsztrátumként beágyazódikdezoxiribonukleotidok(150-200 nukleotid mennyiségben). Az eredmény egy két részből álló tömör szál -RNS(azaz alapozó) és DNS. DNS polimeráz εaddig működik, amíg nem találkozik az előző primeréveltöredék Okazaki(kicsit korábban szintetizálva). Ezt az enzimet ezután eltávolítják a láncból.

7) DNS polimeráz β(béta) áll a helyénDNS polimerázok ε,ugyanabba az irányba mozog (5" → 3"), és eltávolítja a primer ribonukleotidokat, miközben dezoxiribonukleotidokat helyez be a helyükre. Az enzim a primer teljes eltávolításáig működik, azaz. dezoxiribonukleotidig (még inkább korábban szintetizáltDNS polimeráz ε). Az enzim nem képes összekapcsolni munkája eredményét és az előtte lévő DNS-t, így kilép a láncból.

Ennek eredményeként a leány-DNS egy töredéke "fekszik" az anyaszál mátrixán. Ez az úgynevezettOkazaki töredéke.

8) A DNS-ligáz két szomszédos ligát köt össze töredékek Okazaki , azaz 5 "-vége a szegmensnek, szintetizálvaDNS polimeráz ε,és 3" láncvég beépítveDNS polimerázβ .

AZ RNS ​​SZERKEZETE

Ribonukleinsav Az RNS egyike annak a három fő makromolekulának (a másik kettő a DNS és a fehérjék), amelyek minden élő szervezet sejtjében megtalálhatók.

A DNS-hez hasonlóan az RNS is egy hosszú láncból áll, amelyben minden láncszemet hívnak nukleotid. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy ribózcukorból és egy foszfátcsoportból áll. A DNS-től eltérően azonban az RNS-nek általában egy, nem pedig két szála van. Az RNS-ben a pentózt ribóz képviseli, nem dezoxiribóz (a ribóznak van egy további hidroxilcsoportja a második szénhidrátatomon). Végül a DNS különbözik az RNS-től a nitrogénbázisok összetételében: timin helyett ( T) uracil van jelen az RNS-ben ( U) , amely szintén kiegészíti az adenint.

A nukleotidszekvencia lehetővé teszi az RNS számára, hogy genetikai információt kódoljon. Minden sejtes organizmus RNS-t (mRNS) használ a fehérjeszintézis programozásához.

A sejtes RNS-ek az ún átírása , azaz az RNS szintézise DNS-templáton, amelyet speciális enzimek hajtanak végre - RNS polimerázok.

A hírvivő RNS-ek (mRNS-ek) ezután részt vesznek az ún adás, azok. fehérjeszintézis az mRNS templáton riboszómák részvételével. Más RNS-ek a transzkripció után mennek keresztül kémiai módosítások, másodlagos és harmadlagos struktúrák kialakulása után pedig az RNS típusától függő funkciókat látnak el.

Rizs. 10. A DNS és az RNS közötti különbség a nitrogénbázis tekintetében: az RNS timin (T) helyett uracilt (U) tartalmaz, amely szintén komplementer az adeninnel.

ÁTÍRÁS

Ez az RNS-szintézis folyamata egy DNS-templáton. A DNS az egyik helyen letekerődik. Az egyik lánc olyan információt tartalmaz, amelyet az RNS-molekulára kell másolni – ezt a láncot kódolásnak nevezik. A DNS második szálát, amely komplementer a kódoló szálhoz, templátszálnak nevezzük. A templátláncon 3'-5' irányban (a DNS-lánc mentén) történő transzkripció során egy azzal komplementer RNS-lánc szintetizálódik. Így a kódoló szál RNS-másolata jön létre.

Rizs. 11. A transzkripció sematikus ábrázolása

Például, ha megadjuk a kódoló szál szekvenciáját

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a komplementaritás szabálya szerint a mátrixlánc viszi a sorozatot

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

és a belőle szintetizált RNS a szekvencia

ADÁS

Fontolja meg a mechanizmust protein szintézis az RNS-mátrixon, valamint a genetikai kódon és annak tulajdonságaiban. Az érthetőség kedvéért az alábbi linken javasoljuk, hogy nézzen meg egy rövid videót az élő sejtben végbemenő átírási és fordítási folyamatokról:

Rizs. 12. A fehérjeszintézis folyamata: a DNS kódolja az RNS-t, az RNS kódolja a fehérjét

GENETIKAI KÓD

Genetikai kód- eljárás fehérjék aminosavszekvenciájának kódolására nukleotidszekvencia felhasználásával. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy kodon vagy egy triplett.

A legtöbb pro- és eukarióta genetikai kódja. A táblázat felsorolja mind a 64 kodont és felsorolja a megfelelő aminosavakat. Az alapsorrend az mRNS 5"-től 3"-ig terjed.

1. táblázat: Szabványos genetikai kód

1 az alap nie	2. alap								3 az alap nie
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Stop kodon**	U G A	Stop kodon**	A
	U U G		U C G		U A G	Stop kodon**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Támaszt)	C A U	(Ő/H)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	CGA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Ragasztó)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

A hármasok között 4 speciális sorozat található, amelyek "írásjelként" működnek:

• *Hármas AUGUSZTUS, amely szintén metionint kódol, az úgynevezett start kodon. Ez a kodon elindítja a fehérje molekula szintézisét. Így a fehérjeszintézis során az első aminosav a szekvenciában mindig a metionin lesz.

• **Hármas ikrek UAA, UAGÉs UGA hívott stop kodonokés nem kódol semmilyen aminosavat. Ezeknél a szekvenciáknál a fehérjeszintézis leáll.

A genetikai kód tulajdonságai

1. Hármasság. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy triplett vagy kodon.

2. Folytonosság. A tripletek között nincsenek további nukleotidok, az információ folyamatosan olvasható.

3. Nem átfedő. Egy nukleotid nem lehet egyszerre két hármas része.

4. Egyediség. Egy kodon csak egy aminosavat kódolhat.

5. Degeneráció. Egy aminosavat több különböző kodon is kódolhat.

6. Sokoldalúság. A genetikai kód minden élő szervezetre azonos.

Példa. Megadjuk a kódoló szál sorrendjét:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

A mátrixlánc sorrendje a következő lesz:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Most információs RNS-t "szintetizálunk" ebből a láncból:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

A fehérjeszintézis 5' → 3' irányba megy, ezért meg kell fordítanunk a szekvenciát, hogy "beolvassuk" a genetikai kódot:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Most keresse meg az AUG kezdőkodont:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Oszd fel a sorozatot hármasokra:

így hangzik: a DNS-ből származó információ átkerül az RNS-be (transzkripció), az RNS-ből a fehérjébe (transzláció). A DNS replikációval is duplikálható, illetve reverz transzkripciós folyamat is lehetséges, amikor RNS-templátból szintetizálják a DNS-t, de ez a folyamat elsősorban a vírusokra jellemző.

Rizs. 13. központi dogma molekuláris biológia

GENOM: GÉNEK ÉS KROMOSZÓMÁK

(általános fogalmak)

Genom – egy szervezet összes génjének összessége; teljes kromoszómakészlete.

A "genom" kifejezést G. Winkler javasolta 1920-ban az azonos biológiai fajhoz tartozó szervezetek haploid kromoszómakészletében található gének összességének leírására. A kifejezés eredeti jelentése arra utalt, hogy a genom fogalma a genotípussal ellentétben a faj egészének genetikai jellemzője, nem pedig egy egyedé. A molekuláris genetika fejlődésével ennek a kifejezésnek a jelentése megváltozott. Ismeretes, hogy a DNS, amely a hordozó genetikai információ a legtöbb organizmusban, és ezért a genom alapját képezi, nemcsak a szó mai értelmében vett géneket foglalja magában. Az eukarióta sejtek DNS-ének nagy részét nem kódoló („redundáns”) nukleotidszekvenciák képviselik, amelyek nem tartalmaznak információt a fehérjékről és a nukleinsavakról. Így bármely organizmus genomjának fő része a haploid kromoszómakészlet teljes DNS-e.

A gének olyan DNS-molekulák szegmensei, amelyek polipeptideket és RNS-molekulákat kódolnak.

Az elmúlt évszázad során a génekkel kapcsolatos ismereteink jelentősen megváltoztak. Korábban a genom egy kromoszóma olyan régiója volt, amely egy-egy tulajdonságot kódol vagy meghatároz. fenotípusos(látható) tulajdonság, például szemszín.

1940-ben George Beadle és Edward Tatham javasolta a gén molekuláris meghatározását. A tudósok gomba spórákat dolgoztak fel Neurospora crassa röntgensugarakés más szerek, amelyek változást okoznak a DNS-szekvenciában ( mutációk), és olyan mutáns gombatörzseket találtak, amelyek elveszítettek néhány specifikus enzimet, ami egyes esetekben az egész folyamat megsértéséhez vezetett. anyagcsere út. Beadle és Tatham arra a következtetésre jutott, hogy a gén egy szakasz genetikai anyag, amely egy enzimet határoz meg vagy kódol. Így a hipotézis "egy gén, egy enzim". Ezt a fogalmat később kiterjesztették a meghatározásra "egy gén - egy polipeptid", mivel sok gén olyan fehérjéket kódol, amelyek nem enzimek, és a polipeptid egy komplex fehérjekomplex alegysége lehet.

ábrán. A 14. ábra azt mutatja be, hogy a DNS-hármasok hogyan határoznak meg egy polipeptidet, egy fehérje aminosavszekvenciáját, amelyet mRNS közvetít. Az egyik DNS-szál az mRNS szintézisében a templát szerepét tölti be, amelynek nukleotidhármasai (kodonjai) komplementerek a DNS-hármasokkal. Egyes baktériumokban és sok eukarióta esetében a kódoló szekvenciákat nem kódoló régiók szakítják meg (ún. intronok).

A gén modern biokémiai meghatározása még konkrétabban. A gének a DNS valamennyi szakasza, amely a végtermékek elsődleges szekvenciáját kódolja, amelyek közé tartoznak a szerkezeti vagy katalitikus funkcióval rendelkező polipeptidek vagy RNS-ek.

A DNS a génekkel együtt más szekvenciákat is tartalmaz, amelyek kizárólag szabályozó funkciót látnak el. Szabályozási szekvenciák jelezheti a gének kezdetét vagy végét, befolyásolhatja a transzkripciót, vagy jelezheti a replikáció vagy rekombináció beindulási helyét. Egyes géneket különböző módon lehet kifejezni, és ugyanaz a DNS-darab szolgál templátként különböző termékek előállításához.

Nagyjából ki tudjuk számolni minimális génméret intermedier fehérjét kódol. A polipeptidláncban minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol; ezeknek a tripletteknek (kodonoknak) a szekvenciája megfelel az adott gén által kódolt polipeptid aminosavláncának. Egy 350 aminosavból álló polipeptidlánc (közepes hosszúságú lánc) 1050 bp hosszúságú szekvenciának felel meg. ( bp). Sok eukarióta gént és néhány prokarióta gént azonban megszakítanak olyan DNS-szegmensek, amelyek nem hordoznak információt a fehérjéről, és ezért sokkal hosszabbnak bizonyulnak, mint azt egy egyszerű számítás mutatja.

Hány gén található egy kromoszómán?

Rizs. 15. Kromoszómák képe prokarióta (balra) és eukarióta sejtekben. A hisztonok a nukleáris fehérjék széles osztályát alkotják, amelyek két fő funkciót látnak el: részt vesznek a DNS-szálak becsomagolásában a sejtmagban, valamint a nukleáris folyamatok epigenetikai szabályozásában, mint például a transzkripció, replikáció és javítás.

A prokarióták DNS-e egyszerűbb: sejtjeikben nincs sejtmag, így a DNS közvetlenül a citoplazmában található nukleoid formájában.

Mint ismeretes, bakteriális sejtek kromoszómájuk van DNS-szál formájában, kompakt szerkezetbe csomagolva - egy nukleoidba. prokarióta kromoszóma Escherichia coli, melynek genomja teljesen dekódolt, egy kör alakú DNS-molekula (valójában ez nem egy szabályos kör, hanem egy hurok kezdete és vége nélkül), amely 4 639 675 bp-ból áll. Ez a szekvencia körülbelül 4300 fehérjegént és további 157 gént tartalmaz a stabil RNS-molekulák számára. BAN BEN emberi genom körülbelül 3,1 milliárd bázispár, amely 24 különböző kromoszómán található csaknem 29 000 génnek felel meg.

Prokarióták (baktériumok).

Baktérium E. coli egy kétszálú, körkörös DNS-molekulával rendelkezik. 4 639 675 b.p. és eléri a körülbelül 1,7 mm-t, ami meghaladja magának a cellának a hosszát E. coli körülbelül 850 alkalommal. A nukleoid részeként a nagy körkörös kromoszómán kívül sok baktérium tartalmaz egy vagy több kis, körkörös DNS-molekulát, amelyek szabadon helyezkednek el a citoszolban. Ezeket az extrakromoszómális elemeket ún plazmidok(16. ábra).

A legtöbb plazmid csak néhány ezer bázispárból áll, néhány 10 000 bp-nál is többet tartalmaz. Genetikai információt hordoznak, és replikálódnak, hogy leányplazmidokat képezzenek, amelyek a szülősejt osztódása során jutnak be a leánysejtekbe. A plazmidok nemcsak baktériumokban, hanem élesztőben és más gombákban is megtalálhatók. Sok esetben a plazmidok nem nyújtanak előnyt a gazdasejtek számára, és egyetlen feladatuk az önálló szaporodás. Egyes plazmidok azonban a gazdaszervezet számára hasznos géneket hordoznak. Például a plazmidokban lévő gének rezisztenciát biztosíthatnak az antibakteriális szerekkel szemben a baktériumsejtekben. A β-laktamáz gént hordozó plazmidok rezisztenciát biztosítanak a β-laktám antibiotikumokkal, például a penicillinnel és az amoxicillinnel szemben. A plazmidok átjuthatnak az antibiotikum-rezisztens sejtekből ugyanazon vagy különböző baktériumfajok más sejtjeibe, így ezek a sejtek is rezisztenssé válnak. Az antibiotikumok intenzív használata erőteljes szelektív faktor, amely elősegíti az antibiotikum-rezisztenciát kódoló plazmidok (valamint a hasonló géneket kódoló transzpozonok) terjedését a kórokozó baktériumok között, és több antibiotikummal szemben rezisztens baktériumtörzsek megjelenéséhez vezet. Az orvosok kezdik megérteni az antibiotikumok széles körű használatának veszélyeit, és csak akkor írják fel őket, ha feltétlenül szükséges. Hasonló okok miatt korlátozott az antibiotikumok széles körben elterjedt alkalmazása a haszonállatok kezelésére.

Lásd még: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarióták genomja // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.

Eukarióták.

2. táblázat: Néhány élőlény DNS-e, génjei és kromoszómái

	megosztott DNS, b.s.	kromoszómák száma*	A gének hozzávetőleges száma
Escherichia coli(baktérium)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(élesztő)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(fonálféreg)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(növény)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(muslica)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(rizs)	480 000 000		57 000
Mus izom(egér)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Emberi)	3 070 128 600		29 000

Jegyzet. Az információk folyamatosan frissülnek; További naprakész információkért tekintse meg az egyes genomikai projektek webhelyeit.

* Az élesztő kivételével minden eukarióta esetében a diploid kromoszómakészlet adott. diploid készlet kromoszómák (a görög diploos - double és eidos - nézetből) - kettős kromoszómakészlet(2n), amelyek mindegyike homológiát mutat önmagával.
**Haploid készlet. A vadon élő élesztőtörzsek általában nyolc (oktaploid) vagy több ilyen kromoszómával rendelkeznek.
***Két X kromoszómával rendelkező nőstények számára. A férfiaknak van X kromoszómája, de nincs Y kromoszómája, azaz csak 11 kromoszómája.

Egy élesztősejt, az egyik legkisebb eukarióta, 2,6-szor több DNS-t tartalmaz, mint egy sejt E. coli(2. táblázat). gyümölcslégysejtek Drosophila, a genetikai kutatás klasszikus tárgya, 35-ször több DNS-t tartalmaz, az emberi sejtek pedig körülbelül 700-szor több DNS-t tartalmaznak, mint a sejtek. E. coli. Sok növény és kétéltű még több DNS-t tartalmaz. Az eukarióta sejtek genetikai anyaga kromoszómák formájában szerveződik. Diploid kromoszómakészlet (2 n) az élőlény típusától függ (2. táblázat).

Például egy emberi szomatikus sejtben 46 kromoszóma van ( rizs. 17). Minden kromoszóma egy eukarióta sejtben, amint az az ábrán látható. 17, A, egy nagyon nagy, kétszálú DNS-molekulát tartalmaz. Huszonnégy emberi kromoszóma (22 páros kromoszóma és két X és Y nemi kromoszóma) hossza több mint 25-ször különbözik egymástól. Minden eukarióta kromoszóma egy meghatározott génkészletet tartalmaz.

Rizs. 17. eukarióta kromoszómák.A- egy pár összekapcsolt és kondenzált testvérkromatid az emberi kromoszómából. Ebben a formában az eukarióta kromoszómák a replikáció után és a mitózis során metafázisban maradnak. b- a könyv egyik szerzőjének leukocitájából származó kromoszómák teljes készlete. Minden normál emberi szomatikus sejt 46 kromoszómát tartalmaz.

A DNS mérete és funkciója, mint az örökletes anyag tárolására és továbbítására szolgáló mátrix, magyarázza a speciális szerkezeti elemek jelenlétét e molekula szervezetében. A magasabb rendű szervezetekben a DNS kromoszómák között oszlik el.

Egy szervezet DNS-ének (kromoszómáinak) halmazát genomnak nevezzük. A kromoszómák a sejtmagban helyezkednek el, és kromatin nevű szerkezetet alkotnak. A kromatin DNS és bázikus fehérjék (hisztonok) 1:1 arányú komplexe. A DNS hosszát általában a komplementer nukleotidpárok számával (bp) mérik. Például a 3. emberi kromoszómaszázadban egy 160 millió bp méretű DNS-molekula. hossza körülbelül 1 mm, ezért a 3. emberi kromoszóma linearizált molekulája 5 mm hosszú lenne, és egy haploid sejt - tojás vagy hímivarsejt - mind a 23 kromoszómájának (~ 3 * 10 9 bp, MR = 1,8 * 10 12) DNS-e - egy tojás vagy egy hímivarsejt -, az emberi test kivételével az összes sejt csíra alakú lenne. közülük körülbelül 1013) kettős kromoszómát tartalmaz. A sejtosztódás során mind a 46 DNS-molekula replikálódik és 46 kromoszómává szerveződik át.

Ha az emberi genom DNS-molekuláit (22 kromoszómát és X és Y kromoszómát vagy X és X kromoszómát) összekapcsoljuk egymással, körülbelül egy méter hosszú szekvenciát kapunk. Megjegyzés: Minden emlősben és más heterogametikus hím szervezetben a nőstényeknek két X kromoszómája (XX), a hímeknek pedig egy X kromoszómája és egy Y kromoszómája (XY) van.

A legtöbb emberi sejt, így az ilyen sejtek teljes DNS-hossza körülbelül 2 m. Egy felnőtt embernek körülbelül 10 14 sejtje van, tehát az összes DNS molekula teljes hossza 2・10 11 km. Összehasonlításképpen a Föld kerülete 4・10 4 km, a Föld és a Nap távolsága pedig 1,5・10 8 km. Így van a sejtjeinkben elképesztően tömören csomagolt DNS!

Az eukarióta sejtekben vannak más DNS-t tartalmazó organellumok - ezek a mitokondriumok és a kloroplasztiszok. Számos hipotézist terjesztettek elő a mitokondriális és kloroplasztisz DNS eredetével kapcsolatban. Ma általánosan elfogadott álláspont szerint ezek az ősi baktériumok kromoszómáinak kezdetei, amelyek behatoltak a gazdasejtek citoplazmájába, és ezeknek az organellumoknak az előfutáraivá váltak. A mitokondriális DNS a mitokondriális tRNS-t és rRNS-t, valamint számos mitokondriális fehérjét kódol. A mitokondriális fehérjék több mint 95%-át a nukleáris DNS kódolja.

A GÉNEK SZERKEZETE

Tekintsük a gén szerkezetét prokariótákban és eukariótákban, hasonlóságaikat és különbségeiket. Annak ellenére, hogy a gén a DNS egy olyan szakasza, amely csak egy fehérjét vagy RNS-t kódol, a közvetlenül kódoló részen kívül szabályozó és egyéb szerkezeti elemek, amelyek eltérő szerkezettel rendelkeznek a prokariótákban és az eukariótákban.

kódoló szekvencia- a gén fő szerkezeti és funkcionális egysége, benne vannak a kódoló nukleotidhármasokaminosav szekvencia. Kezdőkodonnal kezdődik és stopkodonnal végződik.

A kódoló szekvencia előtt és után vannak nem lefordított 5' és 3' szekvenciák. Szabályozó és kisegítő funkciókat látnak el, például biztosítják a riboszóma mRNS-re való landolását.

A nem lefordított és kódoló szekvenciák alkotják a transzkripció egységét - az átírt DNS-régiót, vagyis azt a DNS-régiót, amelyből az mRNS szintetizálódik.

Végrehajtó A DNS egy nem átírt régiója a gén végén, ahol az RNS szintézis leáll.

A gén elején az szabályozási terület, ami magában foglalja promóterÉs operátor.

promóter- a szekvencia, amellyel a polimeráz a transzkripció iniciálása során kötődik. Operátor- ez az a terület, amelyhez speciális fehérjék kötődhetnek - elnyomók, amely csökkentheti az RNS szintézis aktivitását ebből a génből – más szóval csökkentheti kifejezés.

A gének szerkezete prokariótákban

A prokarióták és eukarióták gének szerkezetére vonatkozó általános terv nem különbözik – mindkettő tartalmaz egy szabályozó régiót egy promoterrel és egy operátorral, egy transzkripciós egységet kódoló és nem transzlált szekvenciákkal, valamint egy terminátort. A gének szerveződése azonban a prokariótákban és az eukariótákban eltérő.

Rizs. 18. A gén szerkezetének vázlata prokariótákban (baktériumokban) -a kép ki van nagyítva

Az operon elején és végén több szerkezeti gén közös szabályozó régiói vannak. Az operon átírt régiójából egy mRNS-molekulát olvasunk ki, amely több kódoló szekvenciát tartalmaz, amelyek mindegyikének saját start- és stopkodonja van. Mindegyik területrőlegy fehérje szintetizálódik. És így, Egy i-RNS molekulából több fehérjemolekula szintetizálódik.

A prokariótákra több gén egyetlen funkcionális egységgé való kombinációja jellemző. operon. Az operon munkáját más gének is szabályozhatják, amelyek észrevehetően eltávolíthatók magából az operonból - szabályozók. Az ebből a génből lefordított fehérjét ún represszor. Az operon kezelőjéhez kötődik, egyszerre szabályozza a benne lévő összes gén expresszióját.

A prokariótákra is jellemző a jelenség átírási és fordítási ragozások.

Rizs. 19 A transzkripció és a transzláció konjugációjának jelensége prokariótákban - a kép ki van nagyítva

Ez a párosítás nem fordul elő eukariótákban, mivel a sejtmag membránja elválasztja a citoplazmát, ahol a transzláció megtörténik, a genetikai anyagtól, amelyen a transzkripció megtörténik. A prokariótákban az RNS DNS-templáton történő szintézise során egy riboszóma azonnal kötődhet a szintetizált RNS-molekulához. Így a fordítás még az átírás befejezése előtt megkezdődik. Ezen túlmenően több riboszóma egyidejűleg kötődhet egy RNS-molekulához, és egy fehérje több molekuláját szintetizálja egyszerre.

A gének szerkezete az eukariótákban

Az eukarióták génjei és kromoszómái nagyon bonyolultan szerveződnek.

Sok faj baktériumának csak egy kromoszómája van, és szinte minden esetben minden kromoszómán található minden gén egy-egy példánya. Csak néhány gén, például az rRNS gének találhatók több másolatban. Gének és szabályozó szekvenciák alkotják a prokarióták szinte teljes genomját. Ráadásul szinte minden gén szigorúan megfelel az általa kódolt aminosav-szekvenciának (vagy RNS-szekvenciának) (14. ábra).

Az eukarióta gének szerkezeti és funkcionális felépítése sokkal összetettebb. Eukarióta kromoszómák tanulmányozása, majd későbbi szekvenálás teljes sorozatok Az eukarióta genomok sok meglepetést hoztak. Sok, ha nem a legtöbb eukarióta gén rendelkezik érdekes tulajdonság: nukleotidszekvenciáik egy vagy több olyan DNS-régiót tartalmaznak, amelyek nem kódolják a polipeptid termék aminosavszekvenciáját. Az ilyen nem lefordított inszertek megzavarják a közvetlen megfelelést a gén nukleotidszekvenciája és a kódolt polipeptid aminosavszekvenciája között. Ezeket a nem lefordított szegmenseket a génekben ún intronok, vagy beépített sorozatok, és a kódoló szegmensek exonok. A prokariótákban csak néhány gén tartalmaz intronokat.

Tehát az eukariótákban gyakorlatilag nincs gének kombinációja operonokká, és az eukarióta gén kódoló szekvenciája leggyakrabban transzlált régiókra oszlik. - exonok, és le nem fordított szakaszok - intronok.

A legtöbb esetben az intronok funkcióját nem állapították meg. Általánosságban elmondható, hogy az emberi DNS-nek csak körülbelül 1,5%-a "kódol", azaz információt hordoz fehérjékről vagy RNS-ről. A nagy intronokat figyelembe véve azonban kiderül, hogy az emberi DNS 30%-a génekből áll. Mivel a gének az emberi genom viszonylag kis részét teszik ki, jelentős mennyiségű DNS-t nem számolnak fel.

Rizs. 16. A gén szerkezetének vázlata eukariótákban - a kép ki van nagyítva

Minden génből először egy éretlen vagy pre-RNS szintetizálódik, amely intronokat és exonokat is tartalmaz.

Ezt követően megtörténik a splicing folyamat, melynek eredményeként az intron régiók kivágásra kerülnek, és egy érett mRNS képződik, amelyből fehérje szintetizálható.

Rizs. 20. Alternatív illesztési eljárás - a kép ki van nagyítva

A gének ilyen szerveződése lehetővé teszi például azt, hogy egy génből egy fehérje különböző formái szintetizálhatók, mivel az exonok a splicing során különböző szekvenciákba fuzionálhatók.

Rizs. 21. Különbségek a prokarióták és eukarióták génjeinek szerkezetében - a kép ki van nagyítva

MUTÁCIÓK ÉS MUTAGÉZIS

mutáció genotípus tartós változásának, azaz változásnak nevezzük nukleotid szekvencia.

A mutációhoz vezető folyamatot ún mutagenezis, és a szervezet Minden amelynek sejtjei ugyanazt a mutációt hordozzák mutáns.

mutációs elmélet Hugh de Vries fogalmazta meg először 1903-ban. Modern változata a következő rendelkezéseket tartalmazza:

1. A mutációk hirtelen, hirtelen jönnek létre.

2. A mutációk nemzedékről nemzedékre öröklődnek.

3. A mutációk lehetnek előnyösek, károsak vagy semlegesek, dominánsak vagy recesszívek.

4. A mutációk kimutatásának valószínűsége a vizsgált egyedek számától függ.

5. Hasonló mutációk ismétlődően előfordulhatnak.

6. A mutációk nem irányítottak.

A mutációkat okozhatja különféle tényezők. Különbséget kell tenni az által okozott mutációk között mutagén hatások: fizikai (pl. ultraibolya vagy sugárzás), kémiai (pl. kolchicin vagy reaktív oxigénfajták) és biológiai (pl. vírusok). Mutációk is előidézhetők replikációs hibák.

Attól függően, hogy a feltételek a megjelenése mutációk vannak osztva spontán- vagyis a ben keletkezett mutációk normál körülmények között, És indukált- vagyis speciális körülmények között keletkezett mutációk.

Mutációk nem csak a nukleáris DNS-ben fordulhatnak elő, hanem például a mitokondriumok vagy a plasztidok DNS-ében is. Ennek megfelelően meg tudjuk különböztetni nukleárisÉs citoplazmatikus mutációk.

A mutációk fellépése következtében gyakran új allélok jelenhetnek meg. Ha a mutáns allél felülírja a normál allélt, a mutációt hívják uralkodó. Ha a normál allél elnyomja a mutált allélt, a mutációt hívják recesszív. A legtöbb olyan mutáció, amely új allélokat eredményez, recesszív.

A mutációkat hatás alapján különböztetjük meg alkalmazkodó, ami a szervezet környezethez való alkalmazkodóképességének növekedéséhez vezet, semleges amelyek nem befolyásolják a túlélést káros amelyek csökkentik a szervezetek alkalmazkodóképességét a környezeti feltételekhez és halálos ami a szervezet halálához vezet a fejlődés korai szakaszában.

A következmények szerint mutációkat különböztetünk meg, amelyek a fehérjefunkció elvesztése, olyan mutációk, amelyek a megjelenése a fehérje új funkciót kapott, valamint olyan mutációk, amelyek módosítsa egy gén dózisát, és ennek megfelelően a belőle szintetizált fehérje adagja.

A mutáció a test bármely sejtjében előfordulhat. Ha egy csírasejtben mutáció következik be, azt ún magzati(csíra, vagy generatív). Az ilyen mutációk nem abban a szervezetben jelennek meg, amelyben megjelentek, hanem mutánsok megjelenéséhez vezetnek az utódokban, és öröklődnek, ezért fontosak a genetika és az evolúció szempontjából. Ha a mutáció bármely más sejtben fellép, akkor ún szomatikus. Egy ilyen mutáció bizonyos mértékig megnyilvánulhat abban a szervezetben, amelyben keletkezett, például rákos daganatok kialakulásához vezethet. Az ilyen mutáció azonban nem öröklődik, és nem érinti az utódokat.

A mutációk a genom különböző méretű részeit érinthetik. Kioszt genetikai, kromoszómálisÉs genomikus mutációk.

Génmutációk

Az egy génnél kisebb léptékben előforduló mutációkat nevezzük genetikai, vagy pontozott (pontozott). Az ilyen mutációk a szekvenciában egy vagy több nukleotid megváltozásához vezetnek. A génmutációk közé tartozikhelyettesítések, ami az egyik nukleotid helyettesítéséhez vezet egy másikkal,törlések ami az egyik nukleotid elvesztéséhez vezet,beszúrások, ami egy további nukleotid hozzáadásához vezet a szekvenciához.

Rizs. 23. Gén(pont)mutációk

A fehérje hatásmechanizmusa szerint a génmutációk a következőkre oszthatók:szinonim, amelyek (a genetikai kód degenerációja következtében) nem vezetnek a fehérjetermék aminosav-összetételének változásához,missense mutációk amelyek az egyik aminosav másikkal való helyettesítéséhez vezetnek, és befolyásolhatják a szintetizált fehérje szerkezetét, bár gyakran jelentéktelenek,nonszensz mutációk, ami a kódoló kodon lecseréléséhez vezet egy stopkodonra,-hoz vezető mutációk splicing rendellenesség:

Rizs. 24. Mutációs sémák

Ezenkívül a fehérjére gyakorolt ​​​​hatásmechanizmus szerint mutációkat izolálnak, amelyek a keretváltás olvasmányok mint a beszúrások és törlések. Az ilyen mutációk, mint a nonszensz mutációk, bár a gén egy pontján fordulnak elő, gyakran befolyásolják a fehérje teljes szerkezetét, ami a szerkezetének teljes megváltozásához vezethet. amikor a kromoszóma egy szakasza 180 fokkal elfordul Rizs. 28. Transzlokáció

Rizs. 29. Kromoszóma duplikáció előtt és után

Genomi mutációk

Végül, genomi mutációk az egész genomot érintik, vagyis a kromoszómák száma megváltozik. Megkülönböztetik a poliploidiát - a sejt ploidiájának növekedését és az aneuploidiát, vagyis a kromoszómák számának változását, például triszómiát (további homológ jelenléte az egyik kromoszómában) és monoszómiát (homológ hiánya a kromoszómában).

Videó a DNS-hez kapcsolódik

DNS REPLIKÁCIÓ, RNS KÓDOLÁS, FEHÉRJESZINTÉZIS

(Ha a videó nem jelenik meg, akkor elérhető

Fejezet HASZNÁLAT: 2.6. Genetikai információ a sejtben. Gének, genetikai kód és tulajdonságai. Bioszintetikus reakciók mátrix jellege. Fehérje és nukleinsavak bioszintézise

Több mint 6 milliárd ember él a Földön. Kivéve 25-30 millió egypetéjű ikerpárt, akkor genetikailag minden ember más. Ez azt jelenti, hogy mindegyik egyedi, egyedi örökletes jellemzőkkel, jellemvonásokkal, képességekkel, temperamentummal és sok más tulajdonsággal rendelkezik. Mi határozza meg az emberek közötti ilyen különbségeket? Természetesen a köztük lévő különbségek genotípusok , azaz gének halmaza egy szervezetben. Minden ember egyedi, ahogy az egyes állatok vagy növények genotípusa is egyedi. De az adott személy genetikai jellemzői a szervezetében szintetizált fehérjékben testesülnek meg. Következésképpen az egyik ember fehérjéjének szerkezete, bár kissé eltér egy másik ember fehérjéjétől. Ezért merül fel a szervátültetés problémája, ezért vannak allergiás reakciók az élelmiszerekre, rovarcsípések, növényi pollen stb. Ez nem jelenti azt, hogy az emberek nem rendelkeznek pontosan ugyanazokkal a fehérjékkel. Az azonos funkciókat ellátó fehérjék egy vagy két aminosavban lehetnek azonosak vagy nagyon kis mértékben eltérhetnek egymástól. De nincs olyan ember a Földön (az egypetéjű ikrek kivételével), akikben minden fehérje egyforma lenne.

A fehérje elsődleges szerkezetére vonatkozó információk nukleotidszekvenciaként vannak kódolva a DNS-molekula egy régiójában - a génben. Gén egy szervezet örökletes információinak egysége. Minden DNS-molekula sok gént tartalmaz. Egy szervezet összes génjének összessége alkotja genotípus.

Az örökletes információk kódolása a genetikai kód . A kód hasonló a jól ismert Morse-kódhoz, amely pontokkal és kötőjelekkel kódolja az információkat. A morzekód univerzális minden rádiós számára, és a különbségek csak a jelek fordításában vannak különböző nyelvek. A genetikai kód is univerzális minden szervezet számára, és csak a géneket alkotó nukleotidok váltakozásában tér el, és meghatározott szervezetek fehérjéit kódolják.

A genetikai kód tulajdonságai : triplett, specifitás, univerzalitás, redundancia és átfedésmentesség.

Tehát mi a genetikai kód? Kezdetben hármasokból áll ( hármas ikrek ) különböző szekvenciákban kombinált DNS-nukleotidok. Például AAT, HCA, ACH, THC stb. Minden nukleotidhármas egy specifikus aminosavat kódol, amely beépül a polipeptidláncba. Így például a CHT triplett az alanin aminosavat, az AAG hármas pedig a fenilalanint kódolja. 20 aminosav van, és 64 lehetőség van négy nukleotid kombinációjára három csoportban, ezért négy nukleotid elegendő 20 aminosav kódolásához. Ezért egy aminosavat több hármas is kódolhat. A tripletek egy része egyáltalán nem kódol aminosavakat, hanem elindítja vagy leállítja a fehérje bioszintézist.

A tényleges genetikai kód az nukleotidszekvenciája egy mRNS-molekulában, mert információt távolít el a DNS-ből ( átírási folyamat ) és a szintetizált fehérjék molekuláiban található aminosav-szekvenciává alakítja át ( fordítási folyamat ). Az mRNS ACGU nukleotidokat tartalmaz. Az mRNS nukleotidhármasait kodonoknak nevezzük. A már megadott példák az mRNS-en lévő DNS-hármasokra így fognak kinézni - az mRNS-en lévő CHT-hármasból GCA-hármas, a DNS-hármasból - AAG-ból pedig UUC-hármas lesz. Az mRNS kodonjai tükrözik a nyilvántartásban szereplő genetikai kódot. Tehát a genetikai kód hármas, univerzális minden földi élőlény számára, degenerált (minden aminosavat egynél több kodon kódol). A gének között írásjelek vannak - ezek hármasok, amelyeket ún stop kodonok . Egy polipeptid lánc szintézisének végét jelzik. Vannak táblázatok a genetikai kódról, amelyet használni kell az mRNS kodonok megfejtéséhez és a fehérjemolekulák láncainak felépítéséhez (zárójelben a komplementer DNS).

A fehérjék aminosav-szekvenciájának kódolása a DNS-molekulában található nukleotidszekvencia segítségével, amely minden élő szervezetre jellemző.

A genetikai információ élő sejtekben való megvalósítása (vagyis a DNS-ben kódolt fehérje szintézise) két mátrixfolyamat segítségével történik: transzkripció (vagyis mRNS szintézis egy DNS-mátrixon) és transzláció (polipeptidlánc szintézise egy mRNS-mátrixon).

A DNS négy nukleotidot használ: adenint (A), guanint (G), citozint (C), timint (T). Ezek a "betűk" alkotják a genetikai kód ábécéjét. Az RNS ugyanazokat a nukleotidokat használja, kivéve a timint, amelyet uracil (U) helyettesít. A DNS- és RNS-molekulákban a nukleotidok láncokba sorakoznak, és így „betűk” szekvenciái keletkeznek.

A DNS nukleotidszekvenciájában a jövőbeli fehérjemolekula minden aminosavához kód "szavak" vannak - a genetikai kód. A DNS-molekulában egy bizonyos nukleotidszekvenciából áll.

Három egymást követő nukleotid kódolja egy aminosav "nevét", vagyis a 20 aminosav mindegyikét egy jelentős kódegység - három nukleotid kombinációja, úgynevezett triplett vagy kodon - kódolja.

Jelenleg a DNS-kód teljes megfejtése megtörtént, és beszélhetünk bizonyos tulajdonságokról, amelyek jellemzőek erre az egyedülálló biológiai rendszerre, amely biztosítja az információk fordítását a DNS "nyelvéről" a fehérje "nyelvére".

A genetikai információ hordozója a DNS, de mivel az mRNS, az egyik DNS-szál másolata közvetlenül részt vesz a fehérjeszintézisben, a genetikai kódot legtöbbször "RNS-nyelven" írják.

Aminosav	RNS-hármasokat kódoló
Alanin	GCU GCC GCA GCG
Arginin	TsGU TsGTs TsGA TsGG AGA AGG
Aszparagin	AAU AAC
Aszparaginsav	GAU GAC
Valine	GUU GUTS GUA GUG
hisztidin	CAU CAC
glicin	GSU GGC GGA GYY
Glutamin	CAA CAG
Glutaminsav	GAA GAG
Izoleucin	AAU AUC AUA
Leucin	TSUU TSUT TSUA TSUG UUA UUG
Lizin	AAA AAG
metionin	AUGUSZTUS
Prolin	CCC CCC CCA CCG
Derűs	UCU UCC UCA UCG ASU AGC
Tirozin	UAU UAC
Treonin	ACC ACC ACA ACG
triptofán	UGG
Fenilalanin	uuu uuc
cisztein	UGU UHC
ÁLLJ MEG	UGA UAG UAA

A genetikai kód tulajdonságai

Három egymást követő nukleotid (nitrogéntartalmú bázis) kódolja egy aminosav "nevét", vagyis mind a 20 aminosavat egy jelentős kódegység - három nukleotid kombinációja, az ún. hármas vagy kodon.

Hármas (kodon)- három nukleotidból (nitrogéntartalmú bázisból) álló szekvencia egy DNS- vagy RNS-molekulában, amely meghatározza egy bizonyos aminosav beépülését a fehérjemolekulába annak szintézise során.

• Egyértelműség (diszkrét)

Egy triplett nem tud két különböző aminosavat kódolni; csak egy aminosavat kódol. Egy bizonyos kodon csak egy aminosavnak felel meg.

Minden aminosavat egynél több triplett határozhat meg. Kivétel - metioninÉs triptofán. Más szavakkal, több kodon is megfelelhet ugyanannak az aminosavnak.

• nem átfedő

Ugyanaz a bázis nem lehet jelen egyszerre két szomszédos kodonban.

Egyes tripletek nem aminosavakat kódolnak, hanem egyfajta "útjelző táblák", amelyek meghatározzák az egyes gének (UAA, UAG, UGA) kezdetét és végét, amelyek mindegyike a szintézis leállását jelenti, és minden gén végén található, így beszélhetünk a genetikai kód polaritásáról.

Állatokban és növényekben, gombákban, baktériumokban és vírusokban ugyanaz a hármas kódolja ugyanazt az aminosavat, vagyis a genetikai kód minden élőlény számára ugyanaz. Más szóval, az egyetemesség - a genetikai kód azon képessége, hogy a szervezetekben azonos módon működjön különböző szintekenösszetettsége a vírusoktól az emberekig.A DNS-kód egyetemessége megerősíti a pminden élet eredete bolygónkon. A géntechnológiai módszerek a genetikai kód egyetemességi tulajdonságának felhasználásán alapulnak.

A genetikai kód felfedezésének történetéből

Először a létezés gondolata genetikai kód fogalmazta meg A. Down 1952-1954-ben. A tudósok kimutatták, hogy egy adott aminosav szintézisét egyértelműen meghatározó nukleotidszekvenciának legalább három láncszemet kell tartalmaznia. Később bebizonyosodott, hogy egy ilyen szekvencia három nukleotidból áll, ún kodon vagy hármas .

1961-ig megoldatlan maradt az a kérdés, hogy mely nukleotidok felelősek egy bizonyos aminosav fehérjemolekulába való beépítéséért, és hány nukleotid határozza meg ezt a beépülést. Az elméleti elemzés kimutatta, hogy a kód nem állhat egy nukleotidból, mivel ebben az esetben csak 4 aminosav kódolható. A kód azonban nem lehet dublett sem, vagyis egy négybetűs "ábécé"-ből származó két nukleotid kombinációja nem fedheti le az összes aminosavat, hiszen elméletileg mindössze 16 ilyen kombináció lehetséges (4 2 = 16).

20 aminosav kódolásához elegendő három egymást követő nukleotid, valamint egy „stop” jel, ami a fehérjeszekvencia végét jelenti, amikor a lehetséges kombinációk száma 64 (4 3 = 64).

GENETIKAI KÓD(görögül genetikos eredetre utal; szin.: kód, biológiai kód, aminosav kód, fehérje kód, kód nukleinsavak ) - örökletes információk rögzítésére szolgáló rendszer állatok, növények, baktériumok és vírusok nukleinsavmolekuláiban a nukleotidszekvencia váltakozásával.

A genetikai információ (ábra) sejtről sejtre, nemzedékről nemzedékre, az RNS-tartalmú vírusok kivételével, a DNS-molekulák reduplikációjával közvetítődik (lásd Replikáció). A DNS örökletes információinak megvalósítása a sejtélet folyamatában 3 típusú RNS-en keresztül történik: információs (mRNS vagy mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS), amelyeket a DNS-en, mint egy mátrixon szintetizálnak az RNS polimeráz enzim segítségével. Ugyanakkor a DNS-molekulában lévő nukleotidok szekvenciája egyedileg meghatározza mindhárom RNS-típus nukleotidszekvenciáját (lásd Transzkripció). A fehérjeszerű molekulát kódoló gén információit (lásd) csak az mRNS hordozza. Az örökletes információ megvalósításának végterméke a fehérjemolekulák szintézise, ​​amelyek specifitását aminosavak sorrendje határozza meg (lásd a fordítást).

Mivel a DNS vagy RNS csak 4 különbözőt tartalmaz nitrogéntartalmú bázisok[a DNS-ben - adenin (A), timin (T), guanin (G), citozin (C); RNS-ben - adenin (A), uracil (U), citozin (C), guanin (G)], amelynek szekvenciája határozza meg a 20 aminosav szekvenciáját a fehérje összetételében, a probléma a G. to.

N. K. Koltsov fogalmazta meg először 1928-ban a fehérjemolekulák mátrixszintézisének ötletét a hipotetikus mátrix tulajdonságainak helyes előrejelzésével. 1944-ben Avery és munkatársai megállapították, hogy a DNS-molekulák felelősek az örökletes tulajdonságok átviteléért a pneumococci transzformációja során. 1948-ban E. Chargaff kimutatta, hogy minden DNS-molekulában a megfelelő nukleotidok (A-T, G-C) mennyiségi egyenlősége van. 1953-ban F. Crick, J. Watson és Wilkins (M. H. F. Wilkins) ebből a szabályból és röntgendiffrakciós adatokból (lásd: M. H. F. Wilkins) arra a következtetésre jutott, hogy a DNS-molekula kettős hélix, amely két polinukleotid szálból áll, amelyeket hidrogénkötések kapcsolnak össze. Ráadásul az egyik lánc A-jával szemben csak a T helyezkedhet el a másodikban, és csak C a G-vel szemben. Ez a komplementaritás oda vezet, hogy az egyik lánc nukleotidszekvenciája egyértelműen meghatározza a másik lánc szekvenciáját. A második jelentős következtetés, amely ebből a modellből következik, az, hogy a DNS-molekula képes önreprodukcióra.

G. Gamow 1954-ben megfogalmazta G. to. problémáját abban modern forma. 1957-ben F. Crick megfogalmazta az Adapter hipotézist, feltételezve, hogy az aminosavak nem közvetlenül, hanem közvetítőkön (ma tRNS néven) keresztül lépnek kölcsönhatásba a nukleinsavval. A következő években ezt követően az összes főbb linket általános séma az eredetileg hipotetikus genetikai információ átvitelét kísérletileg igazolták. 1957-ben mRNS-eket fedeztek fel [A. S. Spirin, A. N. Belozersky és munkatársai; Folkin és Astrakhan (E. Volkin, L. Astrachan)] és tRNS [Hoagland (M. V. Hoagland)]; 1960-ban a DNS-t a sejten kívül szintetizálták, a meglévő DNS-makromolekulákat templátként használva (A. Kornberg), és felfedezték a DNS-függő RNS-szintézist [Weiss (S. V. Weiss) et al.]. 1961-ben létrehoztak egy sejtmentes rendszert, amelyben természetes RNS vagy szintetikus poliribonukleotidok jelenlétében fehérjeszerű anyagokat szintetizáltak [M. Nirenberg és Matthaei (J. H. Matthaei)]. A G. to. megismerésének problémája a kód általános tulajdonságainak tanulmányozásából és tényleges megfejtéséből állt, vagyis annak kiderítéséből, hogy bizonyos aminosavakat mely nukleotid-kombinációk (kodonok) kódolnak.

A kód általános tulajdonságait dekódolásától függetlenül, és főként azt megelőzően a mutációk kialakulásának molekuláris mintázatainak elemzésével sikerült megvilágítani (F. Crick et al., 1961; N. V. Luchnik, 1963). Erre jönnek le:

1. A kód univerzális, azaz legalábbis alapvetően azonos minden élőlény számára.

2. A kód triplett, azaz minden aminosavat egy nukleotidhármas kódol.

3. A kód nem átfedő, azaz egy adott nukleotid nem lehet egynél több kodon része.

4. A kód degenerált, azaz egy aminosavat több hármas is kódolhat.

5. A fehérje elsődleges szerkezetére vonatkozó információkat szekvenciálisan, egy fix pontból kiindulva olvassuk le az mRNS-ből.

6. A legtöbb lehetséges hármasnak van "jelentése", azaz aminosavakat kódol.

7. A kodon három "betűje" közül csak kettő (kötelező) elsődleges fontosságú, míg a harmadik (opcionális) sokkal kevesebb információt hordoz.

A kód közvetlen dekódolása abból állna, hogy a szerkezeti génben lévő nukleotidszekvenciát (vagy a rajta szintetizált mRNS-t) összehasonlítjuk a megfelelő fehérje aminosavszekvenciájával. Ez az út azonban technikailag még mindig lehetetlen. Két másik módszert alkalmaztak: fehérjeszintézist sejtmentes rendszerben ismert összetételű mesterséges poliribonukleotidok mátrixként történő felhasználásával, valamint a mutációképződés molekuláris mintázatának elemzését (lásd). Az első korábban pozitív eredményeket hozott, és történelmileg nagy szerepet játszott G. to megfejtésében.

1961-ben M. Nirenberg és Mattei mátrixként homopolimert - szintetikus poliuridilsavat (azaz UUUU összetételű mesterséges RNS-t) használtak, és polifenilalanint kapott. Ebből az következett, hogy a fenilalanin kodonja több U-ból áll, azaz triplett kód esetén UUU-t jelöl. Később a homopolimerek mellett különböző nukleotidokból álló poliribonukleotidokat is alkalmaztak. Ebben az esetben csak a polimerek összetétele volt ismert, míg a nukleotidok elrendeződése bennük statisztikai volt, ezért az eredmények elemzése statisztikai jellegű és közvetett következtetéseket adott. Elég gyorsan sikerült találnunk legalább egy triplettet mind a 20 aminosavhoz. Kiderült, hogy a szerves oldószerek jelenléte, a pH vagy hőmérséklet változása, egyes kationok és különösen az antibiotikumok kétértelművé teszik a kódot: ugyanazok a kodonok kezdik serkenteni más aminosavak beépülését, esetenként egy kodon akár négy különböző aminosavat is elkezdett kódolni. A sztreptomicin sejtmentes rendszerekben és in vivo is befolyásolta az információolvasást, és csak a streptomycin-érzékeny baktériumtörzseken volt hatásos. A sztreptomicin-dependens törzsekben a mutáció következtében megváltozott kodonok leolvasását "korrigálta". Hasonló eredmények okot adtak kétségbe a G. sejtmentes rendszer segítségével történő dekódolásának helyességében; megerősítésre volt szükség, és elsősorban in vivo adatokkal.

A G. to. főbb adatait in vivo a fehérjék aminosav-összetételének elemzésével nyertük ismert hatásmechanizmusú mutagénekkel (lásd) kezelt organizmusokban, például nitrogéntartalmú to-onnal, amely a DNS-molekulában a C-t U-vel és az A-t G-vel helyettesíti. Hasznos információ a nem specifikus mutagének által okozott mutációk elemzését, a rokon fehérjék primer szerkezete közötti különbségek összehasonlítását is. különböző típusok, a DNS és a fehérjék összetétele közötti összefüggés stb.

G. dekódolása in vivo és in vitro adatok alapján egybeeső eredményeket adott. Később három másik módszert fejlesztettek ki a kód megfejtésére sejtmentes rendszerekben: aminoacil-tRNS (vagyis tRNS kapcsolt aktivált aminosavval) kötése ismert összetételű trinukleotidokhoz (M. Nirenberg és mtsai, 1965), aminoacil-tRNS kötése polinukleotidokhoz, amelyek egy bizonyos hármasával kezdődnek (Matte, et al.9, 1 és 19, 16 és 1997-es rend. ). Mindhárom módszer kiegészíti egymást, és az eredmények összhangban vannak az in vivo kísérletekben kapott adatokkal.

A 70-es években. 20. század A G. to dekódolási eredményeinek különösen megbízható ellenőrzésére léteztek módszerek. Ismeretes, hogy a proflavin hatására létrejövő mutációk különálló nukleotidok elvesztésében vagy inszerciójában állnak, ami egy leolvasási keret eltolódásához vezet. A T4 fágban a proflavin számos mutációt indukált, amelyekben a lizozim összetétele megváltozott. Ezt az összetételt elemeztük és összehasonlítottuk azokkal a kodonokkal, amelyeket az olvasási keret eltolásával kellett volna elérni. Teljes meccs volt. Ezenkívül ez a módszer lehetővé tette annak megállapítását, hogy a degenerált kód mely triplettjei kódolják az egyes aminosavakat. 1970-ben Adamsnek (J. M. Adams) és munkatársainak sikerült direkt módszerrel részben megfejteni a G. to.-t: az R17 fágban egy 57 nukleotid hosszúságú fragmentumban meghatározták a bázisszekvenciát, és összehasonlították a héjfehérjéjének aminosavszekvenciájával. Az eredmények teljes mértékben megegyeztek a kevésbé direkt módszerekkel kapott eredményekkel. Így a kód teljesen és helyesen megfejtésre kerül.

A dekódolás eredményeit táblázatban foglaljuk össze. Felsorolja a kodonok és az RNS összetételét. A tRNS-antikodonok összetétele komplementer az mRNS kodonokkal, azaz Y helyett A-t, A-U helyett C-G-t és G-C helyett G-C-t tartalmaznak, és a szerkezeti gén kodonjainak felelnek meg (az a DNS-szál, amellyel az információt olvassák), azzal a különbséggel, hogy az uracil a timin helyett. A 64 hármasból, amely 4 nukleotid kombinációjával képződhet, 61-nek van "értelme", ​​azaz aminosavakat kódol, 3 pedig "nonszensz" (értelmetlen). A tripletek összetétele és jelentésük között meglehetősen egyértelmű kapcsolat van, amelyre már a kód általános tulajdonságainak elemzésekor is fény derült. Egyes esetekben a specifikus aminosavat (pl. prolint, alanint) kódoló tripletteket az jellemzi, hogy az első két nukleotid (obligát) azonos, a harmadik (opcionális) pedig bármi lehet. Más esetekben (például aszparagin, glutamin kódolásakor) két hasonló hármas ugyanazt jelenti, amelyekben az első két nukleotid egybeesik, és bármely purin vagy pirimidin helyettesíti a harmadikat.

Nonszensz kodonok, amelyek közül 2-nek a fágmutánsok jelölésének megfelelő speciális elnevezése van (UAA-okker, UAG-borostyán, UGA-opál), bár nem kódolnak semmilyen aminosavat, de vannak nagyon fontos információ olvasásakor a polipeptid lánc végét kódolja.

Az információ az 5 1 -> 3 1 -től a nukleotid lánc végéig terjedő irányban olvasható (lásd Dezoxiribonukleinsavak). Ebben az esetben a fehérjeszintézis egy szabad aminocsoportot tartalmazó aminosavból egy szabad aminosavból indul ki karboxilcsoport. A szintézis kezdetét az AUG és GUG tripletek kódolják, amelyek ebben az esetben egy specifikus kiindulási aminoacil-tRNS-t, nevezetesen N-formil-metionil-tRNS-t tartalmaznak. Ugyanazok a tripletek, ha a láncon belül lokalizálódnak, metionint és valint kódolnak. A kétértelműséget megszünteti, hogy az olvasás kezdetét hülyeség előzi meg. Bizonyítékok vannak arra, hogy a különböző fehérjéket kódoló mRNS-régiók közötti határ kettőnél több tripletből áll, és ezeken a helyeken az RNS másodlagos szerkezete megváltozik; ez a kérdés vizsgálat alatt áll. Ha egy nonszensz kodon előfordul egy szerkezeti génben, akkor a megfelelő fehérje csak ennek a kodonnak a helyéig épül fel.

A genetikai kód felfedezése és dekódolása kiemelkedő teljesítmény molekuláris biológia - minden biol, tudományt befolyásolt, esetenként speciális nagy szakaszok kidolgozásának alapjait fektette le (lásd Molekuláris genetika). G. nyitó hatása a.-ra és a hozzá kapcsolódó kutatások összevethetők azzal a hatással, amelyet Darwin elmélete a biol, tudományokra mutatott ki.

A G. to. egyetemessége közvetlen bizonyítéka az élet alapvető molekuláris mechanizmusainak egyetemességének minden képviselőben szerves világ. Mindeközben a prokariótákból eukariótákba, illetve az egysejtűekből a többsejtűekbe való átmenet során a genetikai apparátus funkcióiban és felépítésében tapasztalható nagy különbségek valószínűleg molekuláris különbségekkel függnek össze, amelyek vizsgálata a jövő feladatai közé tartozik. Mivel a kutatás G. to. csak kérdés utóbbi években, a kapott eredmények jelentősége a gyakorlati orvoslás számára csak közvetett, lehetővé téve a betegségek természetének, a kórokozók és gyógyhatású anyagok hatásmechanizmusának megértését. Az olyan jelenségek felfedezése azonban, mint az átalakulás (lásd), a transzdukció (lásd), az elnyomás (lásd), jelzi a kórosan megváltozott örökletes információ korrekciójának vagy korrekciójának alapvető lehetőségét - az ún. géntechnológia (lásd).

Asztal. GENETIKAI KÓD

A kodon első nukleotidja	A kodon második nukleotidja								Harmadszor, kodon nukleotid
		Fenilalanin
						J Hülyeség
								triptofán
						hisztidin
						Glutaminsav
		Izoleucin				aszparaginsav
		metionin
						Aszparagin
						Glutamin

* A lánc végét kódolja.

** A lánc elejét is kódolja.

Bibliográfia: Ichas M. Biológiai kód, ford. angolból, M., 1971; Archer N.B. A citogenetikai vereségek biofizikája és egy genetikai kód, L., 1968; Molekuláris genetika, transz. angolból, szerk. A. N. Belozersky, 1. rész, M., 1964; Nukleinsavak, transz. angolból, szerk. A. N. Belozersky, Moszkva, 1965. Watson J.D. Molekuláris biológia gén, transz. angolból, M., 1967; Physiological Genetics, szerk. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtoma-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonucleins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v „E. Geissler, B., 1972; A genetikai kód, Gold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. A genetikai kód, N. Y. a. o., 1967.