Der genetische Code, ausgedrückt in Codons, ist ein System zur Kodierung von Informationen über die Struktur von Proteinen, die allen lebenden Organismen auf dem Planeten innewohnen. Seine Entschlüsselung dauerte ein Jahrzehnt, aber die Tatsache, dass es existiert, hat die Wissenschaft fast ein Jahrhundert lang verstanden. Universalität, Spezifität, Unidirektionalität und insbesondere die Degeneration des genetischen Codes sind von großer biologischer Bedeutung.
Discovery-Verlauf
Das Problem der Kodierung genetischer Informationen war schon immer ein Schlüsselproblem in der Biologie. Die Wissenschaft näherte sich eher langsam der Matrixstruktur des genetischen Codes. Seit der Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA durch J. Watson und F. Crick im Jahr 1953 begann die Phase der Entschlüsselung der eigentlichen Struktur des Codes, was den Glauben an die Größe der Natur weckte. Die lineare Struktur von Proteinen und die gleiche DNA-Struktur implizierten das Vorhandensein eines genetischen Codes als Entsprechung zweier Texte, die jedoch mit unterschiedlichen Alphabeten geschrieben wurden. Und wennDas Alphabet der Proteine war bekannt, dann wurden die Zeichen der DNA zum Studiengegenstand für Biologen, Physiker und Mathematiker.
Es macht keinen Sinn, alle Schritte zur Lösung dieses Rätsels zu beschreiben. Ein direktes Experiment, das bewies und bestätigte, dass es eine klare und konsistente Entsprechung zwischen DNA-Codons und Proteinaminosäuren gibt, wurde 1964 von C. Janowski und S. Brenner durchgeführt. Und dann - die Periode der Entschlüsselung des genetischen Codes in vitro (in vitro) unter Verwendung der Techniken der Proteinsynthese in zellfreien Strukturen.
Der vollständig entschlüsselte E. coli-Code wurde 1966 auf einem Symposium von Biologen in Cold Spring Harbor (USA) veröffentlicht. Dann wurde die Redundanz (Entartung) des genetischen Codes entdeckt. Was das bedeutet, wurde ganz einfach erklärt.
Decodierung wird fortgesetzt
Die Gewinnung von Daten zur Entschlüsselung des Erbcodes ist zu einem der bedeutendsten Ereignisse des letzten Jahrhunderts geworden. Die Wissenschaft beschäftigt sich auch heute noch eingehend mit den Mechanismen molekularer Kodierungen und ihren systemischen Merkmalen und einer Überfülle von Zeichen, die die Eigenschaft der Degeneration des genetischen Codes zum Ausdruck bringen. Ein eigener Studienzweig ist die Entstehung und Entwicklung des Codierungssystems für Erbgut. Der Nachweis der Beziehung zwischen Polynukleotiden (DNA) und Polypeptiden (Proteinen) gab der Entwicklung der Molekularbiologie Auftrieb. Und das wiederum zu Biotechnologie, Bioengineering, Entdeckungen in der Selektion und Pflanzenproduktion.
Dogmen und Regeln
Das Hauptdogma der Molekularbiologie - Informationen werden von der DNA auf Informationen übertragenRNA, und dann von ihr zu Protein. In umgekehrter Richtung ist eine Übertragung von RNA auf DNA und von RNA auf eine andere RNA möglich.
Aber die Matrix oder Basis ist immer DNA. Und alle anderen grundlegenden Merkmale der Informationsübertragung spiegeln diese Matrixnatur der Übertragung wider. Nämlich die Übertragung durch Synthese auf die Matrix anderer Moleküle, die zur Struktur der Reproduktion von Erbinformationen werden.
Genetischer Code
Die lineare Codierung der Struktur von Proteinmolekülen erfolgt unter Verwendung komplementärer Codons (Triplets) von Nukleotiden, von denen es nur 4 gibt (Adein, Guanin, Cytosin, Thymin (Uracil)), was spontan zur Bildung führt einer anderen Nukleotidkette. Die gleiche Anzahl und chemische Komplementarität von Nukleotiden ist die Hauptbedingung für eine solche Synthese. Aber während der Bildung eines Proteinmoleküls gibt es keine Entsprechung zwischen der Menge und der Qualität von Monomeren (DNA-Nukleotide sind Proteinaminosäuren). Dies ist der natürliche Erbcode – ein System zur Aufzeichnung der Sequenz von Aminosäuren in einem Protein in der Sequenz von Nukleotiden (Codons).
Der genetische Code hat mehrere Eigenschaften:
- Tripletität.
- Einzigartigkeit.
- Orientierung.
- Nicht überlappend.
- Redundanz (Entartung) des genetischen Codes.
- Vielseitigkeit.
Lassen Sie uns eine kurze Beschreibung geben, wobei wir uns auf die biologische Bedeutung konzentrieren.
Tripletity, Kontinuität und Ampeln
Jede der 61 Aminosäuren entspricht einem semantischen Triplett (Tripel) von Nukleotiden. Drei Tripletts tragen keine Information über die Aminosäure und sind Stoppcodons. Jedes Nukleotid in der Kette ist Teil eines Tripletts und existiert nicht alleine. Am Ende und am Anfang der Nukleotidkette, die für ein Protein verantwortlich ist, befinden sich Stoppcodons. Sie starten oder stoppen die Translation (die Synthese eines Proteinmoleküls).
Spezifisch, nicht überlappend und unidirektional
Jedes Codon (Triplett) kodiert nur für eine Aminosäure. Jedes Triplett ist unabhängig vom benachbarten und überlappt nicht. Ein Nukleotid kann nur in einem Triplett in der Kette enth alten sein. Die Proteinsynthese geht immer nur in eine Richtung, die durch Stoppcodons reguliert wird.
Redundanzen des genetischen Codes
Jedes Nukleotidtriplett codiert eine Aminosäure. Es gibt insgesamt 64 Nukleotide, von denen 61 Aminosäuren (Sense-Codons) codieren, und drei sind bedeutungslos, dh sie codieren keine Aminosäure (Stopp-Codons). Die Redundanz (Degeneration) des genetischen Codes liegt darin begründet, dass in jedem Triplett Substitutionen vorgenommen werden können – radikal (führen zum Austausch von Aminosäuren) und konservativ (ändern die Aminosäureklasse nicht). Es ist leicht zu berechnen, dass, wenn 9 Substitutionen in einem Triplett (Positionen 1, 2 und 3) vorgenommen werden können, jedes Nukleotid durch 4 – 1=3 andere Optionen ersetzt werden kann, dann ist die Gesamtzahl der möglichen Nukleotid-Substitutionsoptionen 61 x 9=549.
Die Entartung des genetischen Codes manifestiert sich darin, dass 549 Varianten viel mehr sind alsnotwendig, um Informationen über 21 Aminosäuren zu kodieren. Gleichzeitig führen von 549 Varianten 23 Substitutionen zur Bildung von Stopcodons, 134 + 230 Substitutionen sind konservativ und 162 Substitutionen sind radikal.
Die Regel der Entartung und Ausgrenzung
Wenn zwei Codons zwei identische erste Nukleotide haben und der Rest Nukleotide derselben Klasse sind (Purin oder Pyrimidin), dann tragen sie Informationen über dieselbe Aminosäure. Dies ist die Regel der Degeneration oder Redundanz des genetischen Codes. Zwei Ausnahmen – AUA und UGA – die erste codiert Methionin, obwohl es Isoleucin sein sollte, und die zweite ist ein Stoppcodon, obwohl es Tryptophan codieren sollte.
Die Bedeutung von Entartung und Universalität
Diese beiden Eigenschaften des genetischen Codes haben die größte biologische Bedeutung. Alle oben aufgeführten Eigenschaften sind charakteristisch für die Erbinformation aller lebenden Organismen auf unserem Planeten.
Die Degeneration des genetischen Codes hat einen adaptiven Wert, wie die mehrfache Vervielfältigung des Codes einer Aminosäure. Außerdem bedeutet dies eine Abnahme der Bedeutung (Degeneration) des dritten Nukleotids im Codon. Diese Option minimiert Mutationsschäden in der DNA, die zu groben Verletzungen der Proteinstruktur führen. Dies ist der Abwehrmechanismus der lebenden Organismen des Planeten.
