Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în molecule acizi nucleici, bazată pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN, formând codoni corespunzători aminoacizilor din proteină.

Proprietățile codului genetic.

Codul genetic are mai multe proprietăți.

Tripletate.

Degenerare sau redundanță.

Neambiguitate.

Polaritate.

Nesuprapunere.

Compactitate.

Versatilitate.

De remarcat că unii autori propun și alte proprietăți ale codului legate de caracteristicile chimice ale nucleotidelor incluse în cod sau de frecvența de apariție a aminoacizilor individuali în proteinele corpului etc. Cu toate acestea, aceste proprietăți decurg din cele enumerate mai sus, așa că le vom lua în considerare acolo.

O. Tripletate. Codul genetic, ca multe sisteme organizate complex, are cea mai mică unitate structurală și cea mai mică unitate funcțională. Un triplet este cea mai mică unitate structurală a codului genetic. Este format din trei nucleotide. Un codon este cea mai mică unitate funcțională a codului genetic. De obicei, tripleții de ARNm sunt numiți codoni. În codul genetic, un codon îndeplinește mai multe funcții. În primul rând, funcția sa principală este aceea de a codifica un singur aminoacid. În al doilea rând, codonul poate să nu codifice pentru un aminoacid, dar în acest caz îndeplinește o altă funcție (vezi mai jos). După cum se poate vedea din definiție, un triplet este un concept care caracterizează elementar unitate structurală cod genetic (trei nucleotide). Codon – caracterizează unitate semantică elementară genom - trei nucleotide determină atașarea unui aminoacid la lanțul polipeptidic.

Unitatea structurală elementară a fost mai întâi descifrată teoretic, iar apoi existența ei a fost confirmată experimental. Într-adevăr, 20 de aminoacizi nu pot fi codificați cu una sau două nucleotide deoarece Există doar 4 dintre acestea din urmă Trei din patru nucleotide dau 4 3 = 64 de variante, ceea ce acoperă mai mult decât numărul de aminoacizi disponibili în organismele vii (vezi Tabelul 1).

Cele 64 de combinații de nucleotide prezentate în tabel au două caracteristici. În primul rând, dintre cele 64 de variante triplete, doar 61 sunt codoni și codifică orice aminoacid, ele sunt numite codoni de sens. Trei tripleți nu codifică

aminoacizii a sunt semnale de oprire care indică sfârșitul translației. Există trei astfel de tripleți - UAA, UAG, UGA, ele sunt numite și „fără sens” (codoni aiurea). Ca rezultat al unei mutații, care este asociată cu înlocuirea unei nucleotide într-un triplet cu altul, un codon fără sens poate apărea dintr-un codon sens. Acest tip de mutație se numește mutație aiurea. Dacă un astfel de semnal de oprire se formează în interiorul genei (în partea sa de informații), atunci în timpul sintezei proteinelor în acest loc, procesul va fi întrerupt constant - va fi sintetizată doar prima parte a proteinei (înainte de semnalul de oprire). O persoană cu această patologie va experimenta o lipsă de proteine ​​și va experimenta simptome asociate cu această deficiență. De exemplu, acest tip de mutație a fost identificat în gena care codifică lanțul beta al hemoglobinei. Se sintetizează un lanț scurt de hemoglobină inactiv, care este distrus rapid. Ca rezultat, se formează o moleculă de hemoglobină lipsită de lanț beta. Este clar că este puțin probabil ca o astfel de moleculă să-și îndeplinească pe deplin sarcinile. Apare o boală gravă, care se dezvoltă ca anemie hemolitică (talasemie beta-zero, din cuvântul grecesc „Thalas” - Marea Mediterană, unde a fost descoperită prima dată această boală).

Mecanismul de acțiune al codonilor stop diferă de mecanismul de acțiune al codonilor de sens. Acest lucru rezultă din faptul că pentru toți codonii care codifică aminoacizi, s-au găsit ARNt-uri corespunzătoare. Nu s-au găsit ARNt pentru codonii nonsens. În consecință, ARNt nu ia parte la procesul de oprire a sintezei proteinelor.

CodonAUG (uneori GUG în bacterii) nu numai că codifică aminoacizii metionină și valină, dar sunt șiinițiator de difuzare .

b. Degenerare sau redundanță.

61 din cei 64 de tripleți codifică 20 de aminoacizi. Acest exces de trei ori a numărului de tripleți față de numărul de aminoacizi sugerează că pot fi utilizate două opțiuni de codare în transferul de informații. În primul rând, nu toți cei 64 de codoni pot fi implicați în codificarea a 20 de aminoacizi, dar numai 20 și, în al doilea rând, aminoacizii pot fi codificați de mai mulți codoni. Cercetările au arătat că natura a folosit această ultimă opțiune.

Preferința lui este evidentă. Dacă din 64 de tripleți variante doar 20 ar fi implicați în codificarea aminoacizilor, atunci 44 de tripleți (din 64) ar rămâne necodificatori, adică. fără sens (codoni aiurea). Anterior, am subliniat cât de periculos este pentru viața unei celule să transforme un triplet de codare ca urmare a unei mutații într-un codon fără sens - acest lucru perturbă semnificativ funcționarea normală a ARN polimerazei, ducând în cele din urmă la dezvoltarea bolilor. În prezent, trei codoni din genomul nostru sunt o prostie, dar acum imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă numărul de codoni nonsens ar crește de aproximativ 15 ori. Este clar că într-o astfel de situație tranziția codonilor normali la codoni nonsens va fi nemăsurat mai mare.

Un cod în care un aminoacid este codificat de mai multe triplete se numește degenerat sau redundant. Aproape fiecare aminoacid are mai mulți codoni. Astfel, aminoacidul leucina poate fi codificat de șase tripleți - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valina este codificată de patru tripleți, fenilalanina de două și numai triptofan și metionină codificat de un codon. O proprietate care este asociată cu înregistrarea acelorași informații simboluri diferite este numit degenerare.

Numărul de codoni desemnați pentru un aminoacid se corelează bine cu frecvența de apariție a aminoacidului în proteine.

Și cel mai probabil acest lucru nu este întâmplător. Cu cât frecvența de apariție a unui aminoacid într-o proteină este mai mare, cu atât codonul acestui aminoacid este mai des reprezentat în genom, cu atât este mai mare probabilitatea de deteriorare a acestuia de către factorii mutageni. Prin urmare, este clar că un codon mutant are o șansă mai mare de a codifica același aminoacid dacă este foarte degenerat. Din această perspectivă, degenerarea codului genetic este un mecanism care protejează genomul uman de deteriorare.

Trebuie remarcat faptul că termenul de degenerare este folosit în genetica moleculară într-un alt sens. Astfel, cea mai mare parte a informațiilor dintr-un codon este conținută în primele două nucleotide, baza din a treia poziție a codonului se dovedește a fi de puțină importanță. Acest fenomen se numește „degenerarea bazei a treia”. Ultima caracteristică minimizează efectul mutațiilor. De exemplu, se știe că funcția principală a globulelor roșii este de a transporta oxigenul de la plămâni la țesuturi și dioxidul de carbon de la țesuturi la plămâni. Această funcție este îndeplinită de pigmentul respirator - hemoglobina, care umple întreaga citoplasmă a eritrocitei. Este format dintr-o parte proteică - globină, care este codificată de gena corespunzătoare. Pe lângă proteine, molecula de hemoglobină conține hem, care conține fier. Mutațiile în genele globinei duc la apariție diverse opțiuni hemoglobinelor. Cel mai adesea, mutațiile sunt asociate cu înlocuirea unei nucleotide cu alta și apariția unui nou codon în genă, care poate codifica un nou aminoacid în lanțul polipeptidic al hemoglobinei. Într-un triplet, ca urmare a mutației, orice nucleotidă poate fi înlocuită - prima, a doua sau a treia. Sunt cunoscute câteva sute de mutații care afectează integritatea genelor globinei. Aproape 400 dintre care sunt asociate cu înlocuirea unui singur nucleotid într-o genă și înlocuirea corespunzătoare a aminoacizilor într-o polipeptidă. Dintre acestea numai 100 înlocuirile duc la instabilitatea hemoglobinei și diferite tipuri de boli de la ușoare până la foarte severe. 300 (aproximativ 64%) mutații de substituție nu afectează funcția hemoglobinei și nu duc la patologie. Unul dintre motivele pentru aceasta este „degenerarea bazei a treia” menționată mai sus, când o înlocuire a celei de-a treia nucleotide într-un triplet care codifică serină, leucină, prolină, arginină și alți aminoacizi duce la apariția unui codon sinonim. care codifică același aminoacid. O astfel de mutație nu se va manifesta fenotipic. În schimb, orice înlocuire a primei sau celei de-a doua nucleotide într-un triplet în 100% din cazuri duce la apariția unei noi variante de hemoglobină. Dar chiar și în acest caz, este posibil să nu existe tulburări fenotipice severe. Motivul pentru aceasta este înlocuirea unui aminoacid din hemoglobină cu altul similar cu primul în proprietăți fizico-chimice. De exemplu, dacă un aminoacid cu proprietăți hidrofile este înlocuit cu un alt aminoacid, dar cu aceleași proprietăți.

Hemoglobina este formată din grupul porfirinei de fier de hem (moleculele de oxigen și dioxid de carbon sunt atașate la acesta) și proteine ​​- globină. Hemoglobina adultă (HbA) conține două identice -lanturi si doua -lanţuri. Moleculă - lanțul conține 141 de resturi de aminoacizi, -lanț - 146, - Și -lanţurile diferă în multe resturi de aminoacizi. Secvența de aminoacizi a fiecărui lanț de globină este codificată de propria sa genă. Codificarea genelor - lanțul este situat în brațul scurt al cromozomului 16, -genă - în brațul scurt al cromozomului 11. Substituție în codificarea genei - lanțul hemoglobinei din prima sau a doua nucleotidă duce aproape întotdeauna la apariția de noi aminoacizi în proteină, perturbarea funcțiilor hemoglobinei și consecințe grave pentru pacient. De exemplu, înlocuirea „C” într-unul dintre tripleții CAU (histidină) cu „Y” va duce la apariția unui nou triplet UAU, care codifică un alt aminoacid - tirozină În mod fenotipic, aceasta se va manifesta într-o boală gravă.. A înlocuire similară în poziția 63 -lantul polipeptidei histidinei la tirozina va duce la destabilizarea hemoglobinei. Se dezvoltă boala methemoglobinemie. Înlocuirea, ca urmare a mutației, a acidului glutamic cu valină în poziția a 6-a -lantul este cauza celei mai severe boli - drepanemia. Să nu continuăm lista tristă. Să remarcăm doar că la înlocuirea primelor două nucleotide poate apărea un aminoacid similar ca proprietăți fizico-chimice cu cel anterior. Astfel, înlocuirea celei de-a doua nucleotide într-unul dintre tripleții care codifică acidul glutamic (GAA) în -lanțul cu „U” duce la apariția unui nou triplet (GUA), care codifică valina, iar înlocuirea primei nucleotide cu „A” formează tripletul AAA, care codifică aminoacidul lizină. Acidul glutamic și lizina sunt similare ca proprietăți fizico-chimice - ambele sunt hidrofile. Valina este un aminoacid hidrofob. Prin urmare, înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu valină hidrofobă modifică semnificativ proprietățile hemoglobinei, ceea ce duce în cele din urmă la dezvoltarea anemiei cu celule falciforme, în timp ce înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu lizină hidrofilă schimbă funcția hemoglobinei într-o măsură mai mică - pacienții dezvoltă o formă ușoară. de anemie. Ca urmare a înlocuirii celei de-a treia baze, noul triplet poate codifica aceiași aminoacizi ca și precedentul. De exemplu, dacă într-un triplet CAC uracilul a fost înlocuit cu citozină și a apărut un triplet CAC, atunci practic nu ar fi detectate modificări fenotipice la om. Acest lucru este de înțeles, pentru că ambele triplete codifică același aminoacid – histidina.

În concluzie, este oportun să subliniem că degenerarea codului genetic și degenerarea bazei a treia din punct de vedere biologic general sunt mecanisme de apărare, care sunt inerente evoluției în structura unică a ADN-ului și ARN-ului.

V. Neambiguitate.

Fiecare triplet (cu excepția prostiilor) codifică doar un aminoacid. Astfel, în direcția codon - aminoacid cod genetic lipsit de ambiguitate, în direcția aminoacid - codon - ambiguu (degenerat).

Fără ambiguitate

Codonul aminoacidului

Degenera

Și în acest caz, necesitatea lipsei de ambiguitate în codul genetic este evidentă. Într-o altă opțiune, la traducerea aceluiași codon, în lanțul proteic ar fi inserați diferiți aminoacizi și, ca urmare, s-ar forma proteine ​​cu structuri primare diferite și funcții diferite. Metabolismul celular ar trece la modul de operare „o genă – mai multe polipeptide”. Este clar că într-o astfel de situație funcția de reglare a genelor s-ar pierde complet.

g. Polaritate

Citirea informațiilor din ADN și ARNm are loc doar într-o singură direcție. Polaritatea are important pentru a determina structuri de ordin superior (secundar, terțiar etc.). Mai devreme am vorbit despre modul în care structurile de ordin inferior determină structurile de ordin superior. Structura și structurile terțiare mai mult ordin înaltîn proteine, ele se formează imediat de îndată ce lanțul de ARN sintetizat părăsește molecula de ADN sau lanțul polipeptidic părăsește ribozomul. În timp ce capătul liber al unui ARN sau polipeptidă capătă o structură terțiară, celălalt capăt al lanțului continuă să fie sintetizat pe ADN (dacă ARN-ul este transcris) sau pe un ribozom (dacă este transcris o polipeptidă).

Prin urmare, procesul unidirecțional de citire a informațiilor (în timpul sintezei ARN-ului și proteinei) este esențial nu numai pentru determinarea secvenței nucleotidelor sau aminoacizilor din substanța sintetizată, ci și pentru determinarea strictă a secundare, terțiare etc. structurilor.

d. Nesuprapunere.

Codul poate fi suprapus sau fără suprapunere. Majoritatea organismelor au un cod care nu se suprapune. Codul suprapus se găsește în unele fagi.

Esența unui cod care nu se suprapun este că o nucleotidă a unui codon nu poate fi simultan o nucleotidă a altui codon. Dacă codul s-ar suprapune, atunci secvența de șapte nucleotide (GCUGCUG) ar putea codifica nu doi aminoacizi (alanina-alanina) (Fig. 33, A) ca în cazul unui cod care nu se suprapun, ci trei (dacă există o nucleotidă în comun) (Fig. 33, B) sau cinci (dacă două nucleotide sunt comune) (vezi Fig. 33, C). În ultimele două cazuri, o mutație a oricărei nucleotide ar duce la o încălcare a secvenței de doi, trei etc. aminoacizi.

Cu toate acestea, s-a stabilit că o mutație a unei nucleotide perturbă întotdeauna includerea unui aminoacid într-o polipeptidă. Acesta este un argument semnificativ că codul nu se suprapune.

Să explicăm acest lucru în Figura 34. Liniile aldine arată tripleți care codifică aminoacizi în cazul codului care nu se suprapun și se suprapune. Experimentele au arătat în mod clar că codul genetic nu se suprapune. Fără a intra în detalii ale experimentului, observăm că dacă înlocuiți a treia nucleotidă în secvența de nucleotide (vezi Fig. 34)U (marcat cu un asterisc) la altceva:

1. Cu un cod care nu se suprapune, proteina controlată de această secvență ar avea o substituție a unui (prim) aminoacid (marcat cu asteriscuri).

2. Cu un cod suprapus în opțiunea A, ar avea loc o substituție în doi (primul și al doilea) aminoacizi (marcați cu asteriscuri). În cadrul opțiunii B, înlocuirea ar afecta trei aminoacizi (marcați cu asteriscuri).

Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că atunci când o nucleotidă din ADN este întreruptă, întreruperea proteinei afectează întotdeauna doar un aminoacid, ceea ce este tipic pentru un cod care nu se suprapune.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

*** *** *** *** *** ***

Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley

A B C

Cod care nu se suprapune Cod care nu se suprapune

Orez. 34. O diagramă care explică prezența unui cod care nu se suprapune în genom (explicație în text).

Nesuprapunerea codului genetic este asociată cu o altă proprietate - citirea informațiilor începe dintr-un anumit punct - semnalul de inițiere. Un astfel de semnal de inițiere în ARNm este codonul care codifică metionina AUG.

Trebuie remarcat faptul că oamenii au încă un număr mic de gene care deviază de la regula generalași se suprapun.

e. Compactitate.

Nu există semne de punctuație între codoni. Cu alte cuvinte, tripleții nu sunt separați unul de celălalt, de exemplu, printr-o singură nucleotidă fără sens. Absența „semnelor de punctuație” în codul genetic a fost dovedită în experimente.

şi. Versatilitate.

Codul este același pentru toate organismele care trăiesc pe Pământ. Dovezile directe ale universalității codului genetic au fost obținute prin compararea secvențelor de ADN cu secvențele de proteine ​​corespunzătoare. S-a dovedit că toți genomii bacterieni și eucarioți folosesc aceleași seturi de valori de cod. Există excepții, dar nu multe.

Primele excepții de la universalitatea codului genetic s-au găsit în mitocondriile unor specii de animale. Aceasta se referă la codonul terminator UGA, care se citește la fel ca codonul UGG, care codifică aminoacidul triptofan. Au fost găsite și alte abateri mai rare de la universalitate.

Sistemul de coduri ADN.

Codul genetic al ADN-ului este format din 64 de tripleți de nucleotide. Acești tripleți se numesc codoni. Fiecare codon codifică unul dintre cei 20 de aminoacizi utilizați în sinteza proteinelor. Acest lucru dă o anumită redundanță în cod: majoritatea aminoacizilor sunt codificați de mai mult de un codon.
Un codon îndeplinește două funcții interdependente: semnalează începutul translației și codifică includerea aminoacidului metionină (Met) în lanțul polipeptidic în creștere. Sistemul de codificare ADN este conceput astfel încât codul genetic să poată fi exprimat fie ca codoni ARN, fie ca codoni ADN. Codonii ARN se găsesc în ARN (ARNm) și acești codoni sunt capabili să citească informații în timpul procesului de sinteză a polipeptidelor (un proces numit traducere). Dar fiecare moleculă de ARNm dobândește o secvență de nucleotide în transcripție de la gena corespunzătoare.

Toți, cu excepția a doi aminoacizi (Met și Trp) pot fi codificați de 2 până la 6 codoni diferiți. Cu toate acestea, genomul majorității organismelor arată că anumiți codoni sunt favorizați față de alții. La oameni, de exemplu, alanina este codificată de GCC de patru ori mai des decât de GCG. Acest lucru indică probabil o eficiență mai mare de traducere a aparatului de traducere (de exemplu, ribozomul) pentru unii codoni.

Codul genetic este aproape universal. Aceiași codoni sunt alocați aceleiași secțiuni de aminoacizi și aceleași semnale de pornire și oprire sunt în mare parte aceleași la animale, plante și microorganisme. Cu toate acestea, au fost găsite unele excepții. Cele mai multe implică atribuirea unuia sau doi dintre cei trei codoni stop unui aminoacid.

Ministerul Educației și Științei Federația Rusă Agenție federală prin educație

Stat instituție de învățământ superior învăţământul profesional„Statul Altai universitate tehnică ei. I.I. Polzunov"

Departamentul de Științe ale Naturii și Analiza Sistemului

Rezumat pe tema „Cod genetic”

1. Conceptul de cod genetic

3. Informații genetice

Referințe

1. Conceptul de cod genetic

Cod genetic - caracteristic organismelor vii sistem unificatînregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide. Fiecare nucleotidă este desemnată printr-o literă mare, care începe denumirea bazei azotate incluse în compoziția sa: - A (A) adenină; - G (G) guanină; - C (C) citozină; - T (T) timină (în ADN) sau U (U) uracil (în ARNm).

Implementarea codului genetic într-o celulă are loc în două etape: transcripție și traducere.

Prima dintre ele apare în miez; constă în sinteza moleculelor de ARNm la secțiunile corespunzătoare ale ADN-ului. În acest caz, secvența de nucleotide ADN este „rescrisă” în secvența de nucleotide de ARN. A doua etapă are loc în citoplasmă, pe ribozomi; în acest caz, secvența de nucleotide ale ARNm este tradusă în secvența de aminoacizi din proteină: această etapă are loc cu participarea ARN-ului de transfer (ARNt) și a enzimelor corespunzătoare.

2. Proprietăţile codului genetic

1. Tripletate

Fiecare aminoacid este codificat de o secvență de 3 nucleotide.

Un triplet sau codon este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid.

Codul nu poate fi monoplet, deoarece 4 (numărul de nucleotide diferite din ADN) este mai mic de 20. Codul nu poate fi dublu, deoarece 16 (numărul de combinații și permutări a 4 nucleotide cu 2) este mai mic de 20. Codul poate fi triplet, deoarece 64 (numărul de combinații și permutări de la 4 la 3) este mai mare de 20.

2. Degenerescenta.

Toți aminoacizii, cu excepția metioninei și triptofanului, sunt codificați de mai mult de un triplet: 2 aminoacizi din 1 tripletă = 2 9 aminoacizi din 2 tripleți = 18 1 aminoacid 3 tripleți = 3 5 aminoacizi din 4 tripleți = 20 3 aminoacizi din 6 tripleți = 18 Total 61 tripleți codifică 20 de aminoacizi.

3. Prezența semnelor de punctuație intergenice.

O genă este o secțiune de ADN care codifică un lanț polipeptidic sau o moleculă de ARNt, ARNr sau sARN.

Genele ARNt, ARNr și ARNs nu codifică proteine.

La sfârșitul fiecărei gene care codifică o polipeptidă există cel puțin unul dintre cei 3 codoni stop, sau semnale stop: UAA, UAG, UGA. Ei termină emisiunea.

În mod convențional, codonul AUG, primul după secvența lider, aparține și semnelor de punctuație. Funcționează ca o literă mare. În această poziție, codifică formilmetionina (la procariote).

4. Neambiguitate.

Fiecare triplet codifică doar un aminoacid sau este un terminator de traducere.

Excepția este codonul AUG. La procariote, în prima poziție (litera mare) codifică formilmetionina, iar în orice altă poziție codifică metionina.

5. Compactitatea sau absența semnelor de punctuație intragenice.

În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon semnificativ.

În 1961 Seymour Benzer și Francis Crick au demonstrat experimental natura tripletă a codului și compactitatea acestuia.

Esența experimentului: mutația „+” - inserarea unei nucleotide. Mutația „-” - pierderea unei nucleotide. O singură mutație „+” sau „-” la începutul unei gene strică întreaga genă. O mutație dublă „+” sau „-” strică, de asemenea, întreaga genă. O triplă mutație „+” sau „-” la începutul unei gene strică doar o parte a acesteia. O mutație cvadruplă „+” sau „-” strică din nou întreaga genă.

Experimentul demonstrează că codul este triplet și nu există semne de punctuație în interiorul genei. Experimentul a fost efectuat pe două gene fagice adiacente și a arătat, în plus, prezența semnelor de punctuație între gene.

3. Informații genetice

Informația genetică este un program de proprietăți ale unui organism, primit de la strămoși și încorporat în structuri ereditare sub forma unui cod genetic.

Se presupune că formarea informaţiei genetice a urmat următoarea schemă: procese geochimice - formare minerală - cataliză evolutivă (autocataliza).

Este posibil ca primele gene primitive să fi fost cristale de argilă microcristaline, iar fiecare strat nou de argilă să fie construit în conformitate cu caracteristicile structurale ale celui precedent, de parcă ar primi informații despre structura din acesta.

Implementarea informației genetice are loc în procesul de sinteză a moleculelor proteice folosind trei ARN: ARN mesager (ARNm), ARN de transport (ARNt) și ARN ribozomal (ARNr). Procesul de transfer al informaţiei are loc: - printr-un canal de comunicare directă: ADN - ARN - proteină; și - prin canalul de feedback: mediu - proteină - ADN.

Organismele vii sunt capabile să primească, să stocheze și să transmită informații. Mai mult, organismele vii au o dorință inerentă de a folosi informațiile primite despre ele și despre lumea din jurul lor cât mai eficient posibil. Informațiile ereditare încorporate în gene și necesare pentru ca un organism viu să existe, să se dezvolte și să se reproducă sunt transmise de la fiecare individ către descendenții săi. Aceste informații determină direcția de dezvoltare a organismului, iar în procesul de interacțiune a acestuia cu mediul, reacția la individul său poate fi distorsionată, asigurând astfel evoluția dezvoltării descendenților. În procesul de evoluție al unui organism viu, acesta apare și este amintit. informații noi, inclusiv pentru el valoarea informaţiei creşte.

În timpul implementării informațiilor ereditare în anumite condiții mediu extern se formează fenotipul organismelor unei specii biologice date.

Informațiile genetice determină structura morfologică, creșterea, dezvoltarea, metabolismul, forma mentală, predispoziția la boli și defecte genetice ale organismului.

Mulți oameni de știință, subliniind pe bună dreptate rolul informației în formarea și evoluția viețuitoarelor, au remarcat această împrejurare ca fiind unul dintre criteriile principale ale vieții. Deci, V.I. Karagodin crede: „Traiul este o astfel de formă de existență a informațiilor și a structurilor codificate de aceasta, care asigură reproducerea acestor informații în condiții de mediu adecvate.” Legătura dintre informație și viață este remarcată și de A.A. Lyapunov: „Viața este o stare foarte ordonată a materiei care folosește informațiile codificate de stările moleculelor individuale pentru a dezvolta reacții persistente.” Celebrul nostru astrofizician N.S. Kardashev subliniază și componenta informațională a vieții: „Viața apare datorită posibilității de a sintetiza un tip special de molecule capabile să-și amintească și să folosească la început cel mai mult. informatii simple despre mediuși propria lor structură, pe care o folosesc pentru autoconservare, pentru reproducere și, ceea ce este deosebit de important pentru noi, pentru obținerea și mai multor informații.” Ecologul F. Tipler atrage atenția asupra acestei capacități a organismelor vii de a stoca și transmite informații în cartea „Fizica nemuririi”: „Definesc viața ca un fel de informație codificată care este păstrată prin selecție naturală.” Mai mult, el crede că, dacă este așa, atunci sistemul de informații despre viață este etern, infinit și nemuritor.

Dezvăluirea codului genetic și stabilirea tiparelor biologie moleculară a arătat necesitatea de a combina genetica modernă și teoria darwiniană a evoluției. Astfel s-a născut o nouă paradigmă biologică - teoria sintetică a evoluției (STE), care poate fi considerată deja ca biologie neclasică.

Principalele idei ale evoluției lui Darwin cu triada sa - ereditate, variabilitate, selecție naturală - în idee modernă evoluţia lumii vii sunt completate de idei nu numai selecția naturală, ci o selecție care este determinată genetic. Începutul dezvoltării evoluției sintetice sau generale poate fi considerat opera lui S.S. Chetverikov despre genetica populației, în care s-a arătat că nu caracteristicile individuale și indivizii sunt supuși selecției, ci genotipul întregii populații, ci se realizează prin caracteristicile fenotipice ale indivizilor individuali. Acest lucru determină răspândirea unor schimbări benefice în întreaga populație. Astfel, mecanismul evoluției se realizează atât prin mutații aleatorii la nivel genetic, cât și prin moștenirea celor mai valoroase trăsături (valoarea informației!), care determină adaptarea trăsăturilor mutaționale la mediu, asigurându-se cea mai viabilă descendență.

Schimbările climatice sezoniere, diversele dezastre naturale sau provocate de om, pe de o parte, duc la modificări ale frecvenței de repetare a genelor în populații și, în consecință, la o scădere a variabilității ereditare. Acest proces este uneori numit derivă genetică. Și pe de altă parte, la modificări ale concentrației diferitelor mutații și o scădere a diversității genotipurilor conținute în populație, ceea ce poate duce la modificări ale direcției și intensității selecției.

4. Decodificarea codului genetic uman

În mai 2006, oamenii de știință care lucrează pentru a descifra genomul uman au publicat o hartă genetică completă a cromozomului 1, care a fost ultimul cromozom uman care nu a fost complet secvențial.

Preliminar harta genetică a fost publicat în 2003, marcând finalizarea oficială a Proiectului genomului uman. În cadrul său, au fost secvențiate fragmente de genom care conțin 99% din genele umane. Precizia identificării genelor a fost de 99,99%. Cu toate acestea, până la finalizarea proiectului, doar patru dintre cei 24 de cromozomi fuseseră complet secvențiați. Cert este că, pe lângă gene, cromozomii conțin fragmente care nu codifică nicio caracteristică și nu sunt implicate în sinteza proteinelor. Rolul pe care îl joacă aceste fragmente în viața corpului rămâne necunoscut, dar tot mai mulți cercetători sunt înclinați să creadă că studiul lor necesită cea mai mare atenție.

Cursul 5. Cod genetic

Definiția conceptului

Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența de aminoacizi din proteine ​​folosind secvența de nucleotide din ADN.

Deoarece ADN-ul nu este implicat direct în sinteza proteinelor, codul este scris în limbajul ARN. ARN-ul conține uracil în loc de timină.

Proprietățile codului genetic

1. Tripletate

Fiecare aminoacid este codificat de o secvență de 3 nucleotide.

Definiție: un triplet sau codon este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid.

Codul nu poate fi monoplet, deoarece 4 (numărul de nucleotide diferite din ADN) este mai mic de 20. Codul nu poate fi dublu, deoarece 16 (numărul de combinații și permutări a 4 nucleotide cu 2) este mai mic de 20. Codul poate fi triplet, deoarece 64 (numărul de combinații și permutări de la 4 la 3) este mai mare de 20.

2. Degenerescenta.

Toți aminoacizii, cu excepția metioninei și triptofanului, sunt codificați de mai mult de un triplet:

2 AK pentru 1 triplet = 2.

9 AK, câte 2 tripleți = 18.

1 AK 3 tripleți = 3.

5 AK din 4 tripleți = 20.

3 AK din 6 tripleți = 18.

Un total de 61 de tripleți codifică 20 de aminoacizi.

3. Prezența semnelor de punctuație intergenice.

Definiţie:

Gene - o secțiune de ADN care codifică un lanț polipeptidic sau o moleculă ARNt, rARN sausARN.

GeneleARNt, ARNr, sARNproteinele nu sunt codificate.

La sfârșitul fiecărei gene care codifică o polipeptidă există cel puțin unul dintre cei 3 tripleți care codifică codoni stop ARN sau semnale stop. În ARNm au următoarea formă: UAA, UAG, UGA . Ei termină (încheie) difuzarea.

În mod convențional, codonul aparține și semnelor de punctuație AUG - primul după secvența lider. (Vezi Lectura 8) Funcționează ca o literă mare. În această poziție, codifică formilmetionina (la procariote).

4. Neambiguitate.

Fiecare triplet codifică doar un aminoacid sau este un terminator de traducere.

Excepția este codonul AUG . La procariote, în prima poziție (litera mare) codifică formilmetionina, iar în orice altă poziție codifică metionina.

5. Compactitatea sau absența semnelor de punctuație intragenice.
În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon semnificativ.

În 1961, Seymour Benzer și Francis Crick au demonstrat experimental natura tripletă a codului și compactitatea acestuia.

Esența experimentului: mutația „+” - inserarea unei nucleotide. Mutația „-” - pierderea unei nucleotide. O singură mutație „+” sau „-” la începutul unei gene strică întreaga genă. O mutație dublă „+” sau „-” strică, de asemenea, întreaga genă.

O triplă mutație „+” sau „-” la începutul unei gene strică doar o parte a acesteia. O mutație cvadruplă „+” sau „-” strică din nou întreaga genă.

Experimentul demonstrează că Codul este transcris și nu există semne de punctuație în interiorul genei. Experimentul a fost efectuat pe două gene fagice adiacente și a arătat, în plus, prezența semnelor de punctuație între gene.

6. Versatilitate.

Codul genetic este același pentru toate creaturile care trăiesc pe Pământ.

În 1979, Burrell s-a deschis ideal codul mitocondriilor umane.

Definiţie:

„Ideal” este un cod genetic în care este îndeplinită regula de degenerescență a codului de cvasi-dublu: dacă în două triplete primele două nucleotide coincid, iar a treia nucleotide aparțin aceleiași clase (ambele sunt purine sau ambele sunt pirimidine) , atunci acești tripleți codifică același aminoacid.

Există două excepții de la această regulă în codul universal. Ambele abateri de la codul ideal în universal se referă la puncte fundamentale: începutul și sfârșitul sintezei proteinelor:

Codon	Universal cod	Codurile mitocondriale
		Vertebrate	Nevertebrate	Drojdie	Plante
	STOP				STOP
Cu UA
A G A		STOP
		STOP			Substituțiile 230 nu schimbă clasa aminoacidului codificat. la lacrimabilitate. În 1956, Georgiy Gamow a propus o variantă a codului suprapus. Conform codului Gamow, fiecare nucleotidă, începând de la a treia din genă, face parte din 3 codoni. Când codul genetic a fost descifrat, s-a dovedit că nu se suprapune, adică. Fiecare nucleotidă face parte dintr-un singur codon. Avantajele unui cod genetic suprapus: compactitate, dependență mai mică a structurii proteinei de inserția sau deleția unei nucleotide. Dezavantaj: structura proteinei este foarte dependentă de înlocuirea nucleotidelor și de restricțiile asupra vecinilor. În 1976, ADN-ul fagului φX174 a fost secvențiat. Are ADN circular monocatenar format din 5375 nucleotide. Fagul era cunoscut că codifică 9 proteine. Pentru 6 dintre ele au fost identificate gene situate una după alta. S-a dovedit că există o suprapunere. Gena E este localizată în întregime în interiorul genei D . Codonul său de început rezultă dintr-o schimbare a cadrului a unei nucleotide. Gene J începe acolo unde se termină gena D . Codonul de pornire al genei J se suprapune cu codonul stop al genei D ca urmare a unei deplasări a două nucleotide. Construcția este numită „schimbarea cadrului de citire” de către un număr de nucleotide, nu un multiplu de trei. Până în prezent, suprapunerea a fost demonstrată doar pentru câțiva fagi. Capacitatea de informare a ADN-ului Pe Pământ trăiesc 6 miliarde de oameni. Informații ereditare despre ei închis în 6x10 9 spermatozoizi. Potrivit diverselor estimări, o persoană are de la 30 la 50 mii de gene. Toți oamenii au ~30x1013 gene sau 30x1016 perechi de baze, care alcătuiesc 1017 codoni. Pagina medie a cărții conține 25x10 2 caractere. ADN-ul spermatozoizilor 6x109 conține informații egale ca volum cu aproximativ 4x10 13 pagini de carte. Aceste pagini ar ocupa spațiul a 6 clădiri NSU. 6x10 9 spermatozoizii ocupa o jumatate de degetar. ADN-ul lor ocupă mai puțin de un sfert de degetar.

Când sinteza proteinelor este necesară, o celulă apare în fața celulei. problema serioasa– informațiile din ADN sunt stocate ca o secvență codificată 4 caractere(nucleotide), iar proteinele constau din 20 de simboluri diferite(aminoacizi). Dacă încercați să folosiți toate cele patru simboluri simultan pentru a codifica aminoacizii, veți obține doar 16 combinații, în timp ce există 20 de aminoacizi proteinogeni Nu sunt destui...

Există un exemplu de gândire genială în această chestiune:

"Să luăm, de exemplu, o punte cărți de joc, în care acordăm atenție doar la culoarea cărții. Câți tripleți de același tip poți obține? Patru, bineînțeles: trei de inimioare, trei de diamante, trei de pică și trei de crose. Câți tripleți sunt cu două cărți de același culoare și una de un alt culoare? Să presupunem că avem patru opțiuni pentru a treia carte. Prin urmare avem 4x3 = 12 posibilități. În plus, avem patru tripleți cu toate cele trei cărți diferite. Deci, 4+12+4=20, și acesta este numărul exact de aminoacizi pe care am vrut să-l obținem” (George Gamow, ing. George Gamow, 1904-1968, fizician teoretician, astrofizician și divulgator al științei sovietic și american) .

Într-adevăr, experimentele au demonstrat că pentru fiecare aminoacid există două nucleotide obligatorii și o a treia variabilă, mai puțin specifică („ efect de balansare"). Dacă luați trei caractere din patru, obțineți 64 de combinații, ceea ce depășește cu mult numărul de aminoacizi. Astfel, se constată că orice aminoacid este codificat de trei nucleotide. Acest trio se numește codon. După cum am menționat deja, există 64 de opțiuni. Trei dintre ele nu codifică niciun aminoacid, acestea sunt așa-numitele " codoni aiurea"(Franceză) Prostii- prostii) sau „codoni de oprire”.

Cod genetic

Codul genetic (biologic) este o modalitate de codificare a informațiilor despre structura proteinelor sub forma unei secvențe de nucleotide. Este conceput pentru a traduce limbajul de patru caractere al nucleotidelor (A, G, U, C) în limbajul de douăzeci de caractere al aminoacizilor. Are trasaturi caracteristice:

• Tripletate– trei nucleotide formează un codon care codifică un aminoacid. Există un total de 61 de codoni simț.
• Specificitate(sau neambiguitate) – fiecărui codon îi corespunde doar un aminoacid.
• Degenerare– Un aminoacid poate corespunde mai multor codoni.
• Versatilitate– codul biologic este același pentru toate tipurile de organisme de pe Pământ (cu toate acestea, există excepții în mitocondriile mamiferelor).
• Coliniaritatea– secvența de codoni corespunde secvenței de aminoacizi din proteina codificată.
• Nesuprapunere– tripletii nu se suprapun unul pe altul, fiind situati unul langa altul.
• Fără punctuație– nu există nucleotide suplimentare sau orice alte semnale între tripleți.
• Unidirecționalitate– în timpul sintezei proteinelor, codonii sunt citiți secvențial, fără săriți sau să reveniți.

Cu toate acestea, este clar că codul biologic nu se poate exprima fără molecule suplimentare care îndeplinesc o funcție de tranziție sau functie de adaptor.

Rolul adaptor al ARN-urilor de transfer

ARN-urile de transfer sunt singurul intermediar între secvența de acid nucleic de 4 litere și secvența de proteine ​​de 20 de litere.

Fiecare ARN de transfer are o secvență triplet specifică în bucla anticodon ( anticodon) și poate atașa doar un aminoacid care se potrivește cu acest anticodon. Prezența unuia sau altuia anticodon în ARNt este cea care determină ce aminoacid va fi inclus în molecula proteică, deoarece nici ribozomul, nici ARNm nu recunosc aminoacidul.

Astfel, rolul adaptor al ARNt este:

1. în legarea specifică de aminoacizi,
2. în mod specific, în funcție de interacțiunea codon-anticodon, legarea de ARNm,
3. și, ca rezultat, în încorporarea aminoacizilor în lanțul proteic în conformitate cu informațiile din ARNm.

Adăugarea unui aminoacid la ARNt este efectuată de o enzimă aminoacil-ARNt sintetaza, care are specificitate pentru doi compuși simultan: orice aminoacid și ARNt-ul corespunzător. Reacția necesită două legături ATP de înaltă energie. Aminoacidul se atașează la capătul de 3" al buclei acceptoare de ARNt prin gruparea sa α-carboxil, iar legătura dintre aminoacid și ARNt devine macroergice. Gruparea α-amino rămâne liberă.

Reacția de sinteză aminoacil-ARNt

Deoarece există aproximativ 60 de ARNt diferite, unii aminoacizi au două sau mai multe ARNt. Se numesc ARNt diferiți care adaugă același aminoacid izoacceptor.

În metabolismul organismului rol principal aparține proteinelor și acizilor nucleici.
Substanțele proteice formează baza tuturor structurilor celulare vitale, au o reactivitate neobișnuit de mare și sunt înzestrate cu funcții catalitice.
Acizii nucleici fac parte din cel mai important organ al celulei - nucleul, precum și citoplasma, ribozomii, mitocondriile etc. Acizii nucleici joacă un rol important, primar în ereditatea, variabilitatea organismului și în sinteza proteinelor.

Plan sinteză proteina este stocată în nucleul celulei, iar sinteza directă are loc în afara nucleului, deci este necesar serviciu de livrare codificat plan de la nucleu la locul de sinteză. Acest serviciu de livrare este realizat de molecule de ARN.

Procesul începe la miez celule: o parte a „scării” ADN-ului se desfășoară și se deschide. Datorită acestui fapt, literele ARN formează legături cu literele ADN deschise ale uneia dintre catenele de ADN. Enzima transferă literele ARN pentru a le uni într-o catenă. Acesta este modul în care literele ADN-ului sunt „rescrise” în literele ARN. Lanțul de ARN nou format este separat, iar „scara” ADN-ului se răsucește din nou. Se numește procesul de citire a informațiilor din ADN și sintetizare folosind matricea sa de ARN transcriere , iar ARN-ul sintetizat se numește mesager sau ARNm .

După modificări suplimentare, acest tip de ARNm codificat este gata. ARNm iese din nucleuși merge la locul sintezei proteinelor, unde sunt descifrate literele ARNm. Fiecare set de trei litere i-ARN formează o „litera” care reprezintă un aminoacid specific.

Un alt tip de ARN găsește acest aminoacid, îl captează cu ajutorul unei enzime și îl livrează la locul sintezei proteinelor. Acest ARN se numește ARN de transfer sau t-ARN. Pe măsură ce mesajul ARNm este citit și tradus, lanțul de aminoacizi crește. Acest lanț se răsucește și se pliază într-o formă unică, creând un singur tip de proteină. Chiar și procesul de pliere a proteinelor este remarcabil: este nevoie de un computer pentru a calcula totul opțiuni plierea unei proteine ​​de mărime medie constând din 100 de aminoacizi ar dura 1027 (!) ani. Și nu durează mai mult de o secundă pentru a forma un lanț de 20 de aminoacizi în organism, iar acest proces are loc continuu în toate celulele corpului.

Genele, codul genetic și proprietățile sale.

Aproximativ 7 miliarde de oameni trăiesc pe Pământ. În afară de cele 25-30 de milioane de perechi de gemeni identici, genetic toti oamenii sunt diferiti : fiecare este unic, are unic caracteristici ereditare, trăsături de caracter, abilități, temperament.

Aceste diferențe sunt explicate diferențe de genotipuri- seturi de gene ale organismului; Fiecare este unic. Caracteristicile genetice ale unui anumit organism sunt întruchipate în proteine - prin urmare, structura proteinei unei persoane diferă, deși foarte puțin, de proteina altei persoane.

Asta nu înseamnă că nici doi oameni nu au exact aceleași proteine. Proteinele care îndeplinesc aceleași funcții pot fi aceleași sau diferă doar puțin prin unul sau doi aminoacizi unul de celălalt. Dar nu exista pe Pământ de oameni (cu excepția gemenilor identici) care ar avea toate proteinele lor sunt la fel .

Informații despre structura primară a proteinelor codificat ca o secvență de nucleotide într-o secțiune a unei molecule de ADN, gena – o unitate de informație ereditară a unui organism. Fiecare moleculă de ADN conține multe gene. Totalitatea tuturor genelor unui organism o constituie genotip . Astfel,

Gena este o unitate de informații ereditare a unui organism, care corespunde unei secțiuni separate a ADN-ului

Codarea informațiilor ereditare are loc folosind cod genetic , care este universal pentru toate organismele și diferă doar prin alternanța nucleotidelor care formează gene și codifică proteine ​​ale unor organisme specifice.

Cod genetic constă din tripleți (tripleți) de nucleotide ADN, combinate în diferite secvențe (AAT, HCA, ACG, THC etc.), fiecare dintre ele codifică un aminoacid specific (care va fi încorporat în lanțul polipeptidic).

De fapt cod conteaza secvența de nucleotide dintr-o moleculă de ARNm , pentru că elimină informații din ADN (proces transcrieri ) și îl traduce într-o secvență de aminoacizi din moleculele proteinelor sintetizate (procesul emisiuni ).
Compoziția ARNm include nucleotide A-C-G-U, ale căror tripleți se numesc codoni : un triplet pe ADN CGT pe i-ARN va deveni un triplet GCA, iar un triplet ADN AAG va deveni un triplet UUC. Exact codoni ARNm codul genetic este reflectat în înregistrare.

Astfel, cod genetic - un sistem unificat pentru înregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide . Codul genetic se bazează pe utilizarea unui alfabet format din doar patru litere-nucleotide, distinse prin baze azotate: A, T, G, C.

Proprietățile de bază ale codului genetic:

1. Cod genetic triplet. Un triplet (codon) este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid. Deoarece proteinele conțin 20 de aminoacizi, este evident că fiecare dintre ei nu poate fi codificat de o singură nucleotidă ( Deoarece există doar patru tipuri de nucleotide în ADN, în acest caz 16 aminoacizi rămân necodați). De asemenea, două nucleotide nu sunt suficiente pentru a codifica aminoacizi, deoarece în acest caz pot fi codificați doar 16 aminoacizi. Aceasta înseamnă că cel mai mic număr de nucleotide care codifică un aminoacid trebuie să fie de cel puțin trei. În acest caz, numărul de tripleți posibili de nucleotide este 43 = 64.

2. Redundanță (degenerare) Codul este o consecință a naturii sale triplete și înseamnă că un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete (deoarece există 20 de aminoacizi și 64 de tripleți), cu excepția metioninei și triptofanului, care sunt codificați de un singur triplet. În plus, unii tripleți îndeplinesc funcții specifice: într-o moleculă de ARNm, tripleții UAA, UAG, UGA sunt codoni stop, adică. Stop-semnale care opresc sinteza lantului polipeptidic. Tripletul corespunzător metioninei (AUG), situat la începutul lanțului ADN, nu codifică un aminoacid, ci îndeplinește funcția de inițiere (excitantă) a citirii.

3. Neambiguitate cod - în același timp cu redundanța, codul are proprietatea neambiguitate : fiecare codon se potrivește numai unul un anumit aminoacid.

4. Coliniaritate cod, adică secvența de nucleotide dintr-o genă exact corespunde secvenței de aminoacizi dintr-o proteină.

5. Cod genetic nesuprapune și compacte , adică nu conține „semne de punctuație”. Aceasta înseamnă că procesul de citire nu permite posibilitatea suprapunerii coloanelor (triplete) și, începând de la un anumit codon, citirea continuă triplet după triplet până la Stop-semnale ( codoni de oprire).

6. Cod genetic universal , adică genele nucleare ale tuturor organismelor codifică informații despre proteine ​​în același mod, indiferent de nivelul de organizare și poziția sistematică a acestor organisme.

Sunt tabele de coduri genetice pentru decriptare codoni ARNm și construcția lanțurilor de molecule proteice.

Reacții de sinteză a matricei.

Reacțiile necunoscute în sistemele vii apar în sistemele vii. natura neînsuflețită - reacții de sinteză a matricei.

Termenul "matrice"în tehnologie ei desemnează o matriță folosită pentru turnarea monedelor, medaliilor și fonturilor tipografice: metalul întărit reproduce exact toate detaliile matriței folosite la turnare. Sinteza matricei se aseamănă cu turnarea pe o matrice: moleculele noi sunt sintetizate exact în conformitate cu planul stabilit în structura moleculelor existente.

Principiul matricei se află la miez cele mai importante reacții sintetice ale celulei, cum ar fi sinteza acizilor nucleici și a proteinelor. Aceste reacții asigură secvența exactă, strict specifică a unităților monomerice din polimerii sintetizați.

Aici se desfășoară o acțiune direcțională. contracţia monomerilor în loc anume celule - în molecule care servesc drept matrice în care are loc reacția. Dacă astfel de reacții ar avea loc ca urmare a ciocnirilor aleatorii ale moleculelor, ele ar proceda infinit lent. Sinteza moleculelor complexe pe baza principiului șablonului se realizează rapid și precis. Rolul matricei macromoleculele acizilor nucleici joacă în reacțiile matriceale ADN sau ARN .

Molecule monomerice din care se sintetizează polimerul - nucleotide sau aminoacizi - în conformitate cu principiul complementarității, sunt localizate și fixate pe matrice într-o ordine strict definită, specificată.

Apoi se întâmplă „reticulare” unităților monomerice într-un lanț polimeric, iar polimerul finit este evacuat din matrice.

După care matricea este gata la asamblarea unei noi molecule de polimer. Este clar că, la fel cum pe o matriță dată poate fi turnată doar o monedă sau o literă, la fel pe o anumită moleculă matrice poate fi „asamblat” un singur polimer.

Tipul de reacție matriceală - caracteristică specifică chimia sistemelor vii. Ele sunt baza proprietății fundamentale a tuturor ființelor vii - capacitatea sa de a reproduce propriul fel.

Reacții de sinteză șablon

1. Replicarea ADN-ului - replicare (din latină replicatio - reînnoire) - procesul de sinteză a unei molecule fiice de acid dezoxiribonucleic pe matricea moleculei de ADN părinte. În timpul diviziunii ulterioare a celulei mamă, fiecare celula fiică primește o copie a unei molecule de ADN, care este identică cu ADN-ul celulei mamă inițiale. Acest proces asigură transmiterea cu acuratețe a informațiilor genetice din generație în generație. Replicarea ADN-ului este realizată de un complex enzimatic complex format din 15-20 de proteine ​​diferite, numite replisome . Materialul pentru sinteză este nucleotidele libere prezente în citoplasma celulelor. Semnificația biologică a replicării constă în transferul precis al informațiilor ereditare de la molecula mamă la moleculele fiice, care are loc în mod normal în timpul diviziunii celulelor somatice.

O moleculă de ADN este formată din două catene complementare. Aceste lanțuri sunt ținute împreună prin legături slabe de hidrogen care pot fi rupte de enzime. Molecula de ADN este capabilă de auto-duplicare (replicare), iar pe fiecare jumătate veche a moleculei este sintetizată o nouă jumătate.
În plus, o moleculă de ARNm poate fi sintetizată pe o moleculă de ADN, care apoi transferă informațiile primite de la ADN la locul de sinteză a proteinei.

Transferul de informații și sinteza proteinelor se desfășoară după un principiu de matrice, comparabil cu funcționarea unei prese de tipar într-o tipografie. Informațiile din ADN sunt copiate de mai multe ori. Dacă apar erori în timpul copierii, acestea vor fi repetate în toate copiile ulterioare.

Adevărat, unele erori la copierea informațiilor cu o moleculă de ADN pot fi corectate - procesul de eliminare a erorilor se numește reparaţie. Prima dintre reacțiile în procesul de transfer de informații este replicarea moleculei de ADN și sinteza de noi lanțuri de ADN.

2. Transcriere (din latină transcriptio - rescriere) - procesul de sinteză a ARN folosind ca șablon ADN-ul, care are loc în toate celulele vii. Cu alte cuvinte, este transferul de informații genetice de la ADN la ARN.

Transcripția este catalizată de enzima ARN polimeraza dependentă de ADN. ARN polimeraza se deplasează de-a lungul moleculei de ADN în direcția 3" → 5". Transcrierea constă din etape iniţierea, alungirea şi terminarea . Unitatea de transcriere este un operon, un fragment al unei molecule de ADN format din promotor, parte transcrisă și terminator . ARNm constă dintr-un singur lanț și este sintetizat pe ADN în conformitate cu regula complementarității, cu participarea unei enzime care activează începutul și sfârșitul sintezei moleculei de ARNm.

Molecula de ARNm finită intră în citoplasmă pe ribozomi, unde are loc sinteza lanțurilor polipeptidice.

3. Difuzare (din lat. traducere- transfer, mișcare) - procesul de sinteză a proteinelor din aminoacizi pe o matrice de informații (mesager) ARN (ARNm, ARNm), realizat de ribozom. Cu alte cuvinte, acesta este procesul de traducere a informațiilor conținute în secvența de nucleotide ale ARNm în secvența de aminoacizi din polipeptidă.

4. Transcriere inversă este procesul de formare a ADN-ului dublu catenar pe baza informațiilor din ARN monocatenar. Acest proces se numește transcripție inversă, deoarece transferul de informații genetice are loc în direcția „inversă” față de transcripție. Ideea transcripției inverse a fost inițial foarte nepopulară, deoarece a contrazis dogma centrală a biologiei moleculare, care presupunea că ADN-ul este transcris în ARN și apoi tradus în proteine.

Cu toate acestea, în 1970, Temin și Baltimore au descoperit în mod independent o enzimă numită revers transcriptază (revertază) , iar posibilitatea transcripției inverse a fost în sfârșit confirmată. În 1975, Temin și Baltimore au fost premiați Premiul Nobelîn domeniul fiziologiei și medicinei. Unii virusuri (cum ar fi virusul imunodeficienței umane, care provoacă infecția cu HIV) au capacitatea de a transcrie ARN-ul în ADN. HIV are un genom ARN care este integrat în ADN. Ca rezultat, ADN-ul virusului poate fi combinat cu genomul celulei gazdă. Se numește principala enzimă responsabilă de sinteza ADN-ului din ARN inversare. Una dintre funcțiile reversease este de a crea ADN complementar (ADNc) din genomul viral. Enzima asociată ribonucleaza scindează ARN-ul, iar reversease sintetizează ADNc din dubla helix ADN. ADNc este integrat în genomul celulei gazdă prin integrază. Rezultatul este sinteza proteinelor virale de către celula gazdă, care formează noi viruși. În cazul HIV, este programată și apoptoza (moartea celulară) a limfocitelor T. În alte cazuri, celula poate rămâne un distribuitor de viruși.

Secvența reacțiilor matricei în timpul biosintezei proteinelor poate fi reprezentată sub forma unei diagrame.

Astfel, biosinteza proteinelor- acesta este unul dintre tipurile schimb plastic, în timpul căreia informații ereditare, codificat în genele ADN, este implementat într-o secvență specifică de aminoacizi din moleculele de proteine.

Moleculele de proteine ​​sunt în esență lanțuri polipeptidice format din aminoacizi individuali. Dar aminoacizii nu sunt suficient de activi pentru a se combina unul cu celălalt pe cont propriu. Prin urmare, înainte ca acestea să se combine între ele și să formeze o moleculă proteică, aminoacizii trebuie activa . Această activare are loc sub acțiunea unor enzime speciale.

Ca urmare a activării, aminoacidul devine mai labil și, sub acțiunea aceleiași enzime, se leagă de t- ARN. Fiecare aminoacid corespunde unui t- strict specific ARN, care își găsește aminoacidul și transferuri acesta în ribozom.

În consecință, diverse aminoacizi activați combinați cu proprii lor T- ARN. Ribozomul este ca transportor pentru a asambla un lanț proteic din diverși aminoacizi furnizați acestuia.

Simultan cu t-ARN, pe care „stă” propriul său aminoacid, „ semnal„din ADN-ul care este conținut în nucleu. În conformitate cu acest semnal, una sau alta proteină este sintetizată în ribozom.

Influența direcțională a ADN-ului asupra sintezei proteinelor nu se realizează direct, ci cu ajutorul unui intermediar special - matrice sau ARN mesager(m-ARN sau ARNm), care sintetizat în nucleu e sub influența ADN-ului, deci compoziția sa reflectă compoziția ADN-ului. Molecula de ARN este ca o turnare a formei de ADN. ARNm-ul sintetizat intră în ribozom și, așa cum ar fi, îl transferă în această structură plan- in ce ordine trebuie combinati intre ei aminoacizii activati ​​care intra in ribozom pentru a putea fi sintetizata o proteina specifica? Altfel, informația genetică codificată în ADN este transferată la ARNm și apoi la proteine.

Molecula de ARNm intră în ribozom și ochiuri ei. Segmentul ăla care se află în în acest momentîn ribozom, definit codon (triplet), interacționează într-o manieră complet specifică cu cele care îi sunt similare structural triplet (anticodon)în ARN de transfer, care a adus aminoacidul în ribozom.

ARN de transfer cu aminoacidul său se potrivește cu un codon specific al ARNm și conectează cu el; la următoarea secțiune vecină de ARNm se adaugă un alt ARNt cu un aminoacid diferitși așa mai departe până când se citește întregul lanț de i-ARN, până când toți aminoacizii sunt redusi în ordinea potrivită, formând o moleculă proteică. Și ARNt, care a livrat aminoacidul într-o anumită parte a lanțului polipeptidic, eliberat de aminoacidul săuși iese din ribozom.

Apoi, din nou în citoplasmă, aminoacidul dorit se poate alătura acestuia și din nou îl poate transfera în ribozom. În procesul de sinteză a proteinelor, nu unul, ci mai mulți ribozomi - poliribozomi - sunt implicați simultan.

Principalele etape ale transferului de informații genetice:

1. Sinteza pe ADN ca șablon pentru ARNm (transcripție)
2. Sinteza unui lanț polipeptidic în ribozomi conform programului conținut în ARNm (traducere) .

Etapele sunt universale pentru toate ființele vii, dar relațiile temporale și spațiale ale acestor procese diferă în pro- și eucariote.

U procariotă transcripția și traducerea pot avea loc simultan deoarece ADN-ul este localizat în citoplasmă. U eucariote transcripția și translația sunt strict separate în spațiu și timp: în nucleu are loc sinteza diferitelor ARN-uri, după care moleculele de ARN trebuie să părăsească nucleul trecând prin membrana nucleară. ARN-urile sunt apoi transportate în citoplasmă la locul sintezei proteinelor.