Wie viele Codons gibt es im genetischen Code? Grundlegende Eigenschaften des genetischen Codes und ihre Bedeutung. Genetische Informationen bestimmen die morphologische Struktur, das Wachstum, die Entwicklung, den Stoffwechsel, die geistige Verfassung, die Veranlagung zu Krankheiten und die Genetik

Der genetische Code ist eine Möglichkeit, die Aminosäuresequenz in einem Proteinmolekül mithilfe der Nukleotidsequenz in einem Nukleinsäuremolekül zu kodieren. Eigenschaften genetischer Code Folgen Sie den Merkmalen dieser Codierung.

Jede Proteinaminosäure ist mit drei aufeinanderfolgenden Nukleinsäurenukleotiden verknüpft – Triplett, oder Codon. Jedes Nukleotid kann eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten. In der RNA ist es so Adenin(A), Uracil(U), Guanin(G), Cytosin(C). Durch die Kombination stickstoffhaltiger Basen auf unterschiedliche Weise (in in diesem Fall Nukleotide, die sie enthalten) können Sie viele verschiedene Tripletts erhalten: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC usw. Gesamt mögliche Kombinationen - 64, also 4 3.

Die Proteine ​​lebender Organismen enthalten etwa 20 Aminosäuren. Wenn die Natur „geplant“ hätte, jede Aminosäure nicht mit drei, sondern mit zwei Nukleotiden zu kodieren, dann würde die Vielfalt solcher Paare nicht ausreichen, da es nur 16 davon gäbe, d.h. 4 2.

Auf diese Weise, Die Haupteigenschaft des genetischen Codes ist seine Dreifachheit. Jede Aminosäure wird durch ein Nukleotidtriplett kodiert.

Da es deutlich mehr mögliche unterschiedliche Tripletts gibt als die in biologischen Molekülen verwendeten Aminosäuren, wurde in der belebten Natur folgende Eigenschaft realisiert: Redundanz genetischer Code. Viele Aminosäuren wurden nicht mehr von einem, sondern von mehreren Codons kodiert. Beispielsweise wird die Aminosäure Glycin von vier verschiedenen Codons kodiert: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundanz wird auch genannt Entartung.

Die Entsprechung zwischen Aminosäuren und Codons ist in Tabellen dargestellt. Zum Beispiel diese:

Bezogen auf Nukleotide hat der genetische Code folgende Eigenschaft: Eindeutigkeit(oder Spezifität): Jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure. Beispielsweise kann das GGU-Codon nur für Glycin und keine andere Aminosäure kodieren.

Noch einmal. Redundanz bedeutet, dass mehrere Tripletts für dieselbe Aminosäure kodieren können. Spezifität – jedes spezifische Codon kann nur für eine Aminosäure kodieren.

Im genetischen Code gibt es keine besonderen Satzzeichen (mit Ausnahme von Stoppcodons, die das Ende der Polypeptidsynthese anzeigen). Die Funktion von Satzzeichen wird von den Drillingen selbst übernommen – das Ende eines Satzzeichens bedeutet, dass als nächstes ein anderes beginnen wird. Dies impliziert die folgenden zwei Eigenschaften des genetischen Codes: Kontinuität Und nicht überlappend. Kontinuität bezieht sich auf das Lesen von Triolen unmittelbar hintereinander. Nicht überlappend bedeutet, dass jedes Nukleotid nur Teil eines Tripletts sein kann. Das erste Nukleotid des nächsten Tripletts kommt also immer nach dem dritten Nukleotid des vorherigen Tripletts. Ein Codon kann nicht mit dem zweiten oder dritten Nukleotid des vorhergehenden Codons beginnen. Mit anderen Worten: Der Code überschneidet sich nicht.

Der genetische Code hat die Eigenschaft Vielseitigkeit. Dies gilt für alle Organismen auf der Erde, was auf die Einheit des Ursprungs des Lebens hinweist. Hiervon gibt es sehr seltene Ausnahmen. Beispielsweise kodieren einige Drillinge in Mitochondrien und Chloroplasten andere als die üblichen Aminosäuren. Dies könnte darauf hindeuten, dass es zu Beginn des Lebens leicht unterschiedliche Variationen des genetischen Codes gab.

Schließlich hat der genetische Code Geräuschunempfindlichkeit, was eine Folge seiner Eigenschaft als Redundanz ist. Punktmutationen, die manchmal in der DNA vorkommen, führen normalerweise zum Ersatz einer stickstoffhaltigen Base durch eine andere. Dadurch verändert sich das Triplett. Es war zum Beispiel AAA, aber nach der Mutation wurde es zu AAG. Allerdings führen solche Veränderungen nicht immer zu einer Veränderung der Aminosäure im synthetisierten Polypeptid, da beide Tripletts aufgrund der Redundanzeigenschaft des genetischen Codes einer Aminosäure entsprechen können. Angesichts der Tatsache, dass Mutationen häufig schädlich sind, ist die Eigenschaft der Störimmunität nützlich.

Genetische Funktionen der DNA sind, dass es die Speicherung, Übertragung und Implementierung ermöglicht erbliche Informationen, das Informationen über darstellt Primärstruktur Proteine ​​(d. h. ihre Aminosäurezusammensetzung). Der Zusammenhang zwischen DNA und Proteinsynthese wurde bereits 1944 von den Biochemikern J. Beadle und E. Tatum vorhergesagt, als sie den Mechanismus von Mutationen im Schimmelpilz Neurospora untersuchten. Informationen werden mithilfe eines genetischen Codes als spezifische Sequenz stickstoffhaltiger Basen in einem DNA-Molekül aufgezeichnet. Die Entschlüsselung des genetischen Codes gilt als eine der großen naturwissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. und wird in seiner Bedeutung mit der Entdeckung gleichgesetzt Kernenergie in der Physik. Der Erfolg auf diesem Gebiet ist mit dem Namen des amerikanischen Wissenschaftlers M. Nirenberg verbunden, in dessen Labor das erste Codon YYY entschlüsselt wurde. Allerdings dauerte der gesamte Entschlüsselungsprozess mehr als 10 Jahre, sagen viele berühmte Wissenschaftler verschiedene Länder, und zwar nicht nur Biologen, sondern auch Physiker, Mathematiker und Kybernetiker. Einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung des Mechanismus zur Aufzeichnung genetischer Informationen leistete G. Gamow, der als erster vorschlug, dass ein Codon aus drei Nukleotiden besteht. Durch die gemeinsame Anstrengung von Wissenschaftlern wurde es gegeben volle Eigenschaften genetischer Code.

Buchstaben im inneren Kreis sind Basen an der 1. Position im Codon, Buchstaben im zweiten Kreis sind es
Die Basen befinden sich an der 2. Position und die Buchstaben außerhalb des zweiten Kreises sind die Basen an der 3. Position.
Im letzten Kreis stehen die abgekürzten Namen der Aminosäuren. NP - unpolar,
P – polare Aminosäurereste.

Die Haupteigenschaften des genetischen Codes sind: Dreifachheit, Entartung Und nicht überlappend. Triplet bedeutet, dass eine Abfolge von drei Basen den Einbau einer bestimmten Aminosäure in ein Proteinmolekül bestimmt (zum Beispiel AUG – Methionin). Die Degeneration des Codes besteht darin, dass dieselbe Aminosäure von zwei oder mehr Codons codiert werden kann. Nicht überlappend bedeutet, dass dieselbe Base nicht in zwei benachbarten Codons vorkommen kann.

Es wurde festgestellt, dass der Code vorhanden ist Universal-, d.h. Das Prinzip der Erfassung genetischer Informationen ist bei allen Organismen gleich.

Tripletts, die dieselbe Aminosäure kodieren, werden synonyme Codons genannt. Normalerweise haben sie das identische Gründe in der 1. und 2. Position und unterscheiden sich nur in der dritten Basis. Beispielsweise wird der Einbau der Aminosäure Alanin in ein Proteinmolekül durch synonyme Codons im RNA-Molekül kodiert – GCA, GCC, GCG, GCY. Der genetische Code enthält drei nichtkodierende Tripletts (Nonsense-Codons – UAG, UGA, UAA), die beim Lesen von Informationen die Rolle von Stoppsignalen spielen.

Es wurde festgestellt, dass die Universalität des genetischen Codes nicht absolut ist. Unter Beibehaltung des allen Organismen gemeinsamen Codierungsprinzips und der Merkmale des Codes ist in einer Reihe von Fällen eine Änderung zu beobachten semantische Belastung Individuell Codewörter. Dieses Phänomen wurde als Mehrdeutigkeit des genetischen Codes bezeichnet, und der Code selbst wurde als „Mehrdeutigkeit“ bezeichnet quasi-universal.

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GENETISCHER CODE(Griechisch: genetikos bezogen auf die Herkunft; Syn.: Code, biologischer Code, Aminosäurecode, Proteincode, Code Nukleinsäure ) – ein System zur Aufzeichnung von Erbinformationen in Molekülen Nukleinsäuren Tiere, Pflanzen, Bakterien und Viren durch alternierende Nukleotidsequenzen.

Genetische Informationen (Abb.) von Zelle zu Zelle, von Generation zu Generation, mit Ausnahme von RNA-haltigen Viren, werden durch Reduktion von DNA-Molekülen übertragen (siehe Replikation). Die Umsetzung der DNA-Erbinformationen während des Lebens einer Zelle erfolgt durch drei Arten von RNA: Informations- (mRNA oder mRNA), ribosomale (rRNA) und Transport-RNA (tRNA), die mithilfe des Enzyms RNA-Polymerase auf DNA als a synthetisiert werden Matrix. In diesem Fall bestimmt die Nukleotidsequenz in einem DNA-Molekül eindeutig die Nukleotidsequenz in allen drei RNA-Typen (siehe Transkription). Informationen zum kodierenden Gen (siehe). Proteinmolekül, trägt nur mRNA. Das Endprodukt der Umsetzung erblicher Informationen ist die Synthese von Proteinmolekülen, deren Spezifität durch die Sequenz der darin enthaltenen Aminosäuren bestimmt wird (siehe Übersetzung).

Da DNA oder RNA nur 4 verschiedene stickstoffhaltige Basen enthält [in DNA – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G), Cytosin (C); in RNA - Adenin (A), Uracil (U), Cytosin (C), Guanin (G)], deren Sequenz die Reihenfolge von 20 Aminosäuren im Protein bestimmt, entsteht das Problem der GK, also das Problem der Übersetzung aus einem 4-Buchstaben-Alphabet aus Nukleinsäuren in ein 20-Buchstaben-Alphabet aus Polypeptiden.

Erste Idee Matrixsynthese Proteinmoleküle mit der korrekten Vorhersage der Eigenschaften einer hypothetischen Matrix wurden 1928 von N. K. Koltsov formuliert. 1944 stellten O. Avery et al. fest, dass DNA-Moleküle für die Übertragung erblicher Merkmale während der Transformation in Pneumokokken verantwortlich sind. 1948 zeigte E. Chargaff, dass in allen DNA-Molekülen eine quantitative Gleichheit der entsprechenden Nukleotide (A-T, G-C) besteht. Im Jahr 1953 kamen F. Crick, J. Watson und M. H. F. Wilkins auf der Grundlage dieser Regel und Daten aus der Röntgenbeugungsanalyse (siehe) zu dem Schluss, dass DNA-Moleküle vorhanden sind Doppelhelix, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Polynukleotidsträngen Wasserstoffbrücken. Darüber hinaus kann nur T gegen das A einer Kette in der zweiten sein und nur C gegen G. Diese Komplementarität führt dazu, dass die Nukleotidsequenz einer Kette die Sequenz der anderen Kette eindeutig bestimmt. Die zweite wichtige Schlussfolgerung, die sich aus diesem Modell ergibt, ist, dass das DNA-Molekül zur Selbstreproduktion fähig ist.

1954 formulierte G. Gamow das Problem geometrischer Gleichungen in seinem moderne Form. Im Jahr 1957 formulierte F. Crick die Adapter-Hypothese, die darauf hindeutet, dass Aminosäuren nicht direkt, sondern über Vermittler (heute als tRNA bekannt) mit Nukleinsäuren interagieren. In den kommenden Jahren danach werden alle grundlegenden Verbindungen hergestellt allgemeines Schema Die ursprünglich hypothetische Übertragung genetischer Informationen wurde experimentell bestätigt. Im Jahr 1957 wurden mRNAs entdeckt [A. S. Spirin, A. N. Belozersky et al.; Folkin und Astrachan (E. Volkin, L. Astrachan)] und tRNA [Hoagland (M.V. Hoagland)]; 1960 wurde DNA außerhalb der Zelle unter Verwendung vorhandener DNA-Makromoleküle als Matrix synthetisiert (A. Kornberg) und die DNA-abhängige RNA-Synthese wurde entdeckt [S. B. Weiss et al.]. 1961 wurde ein zellfreies System geschaffen, in dem proteinähnliche Substanzen in Gegenwart natürlicher RNA oder synthetischer Polyribonukleotide synthetisiert wurden [M. Nirenberg und Matthaei (J. H. Matthaei)]. Das Problem der Codeerkennung bestand darin, die allgemeinen Eigenschaften des Codes zu untersuchen und ihn tatsächlich zu entschlüsseln, d. h. herauszufinden, welche Kombinationen von Nukleotiden (Codons) bestimmte Aminosäuren kodieren.

Die allgemeinen Eigenschaften des Codes wurden unabhängig von seiner Dekodierung und hauptsächlich davor durch die Analyse der molekularen Muster der Mutationsbildung geklärt (F. Krick et al., 1961; N.V. Luchnik, 1963). Sie laufen auf Folgendes hinaus:

1. Der Code ist universell, d. h. zumindest grundsätzlich für alle Lebewesen identisch.

2. Der Code ist ein Triplett, das heißt, jede Aminosäure wird durch ein Triplett von Nukleotiden kodiert.

3. Der Code ist nicht überlappend, d. h. ein bestimmtes Nukleotid kann nicht Teil von mehr als einem Codon sein.

4. Der Code ist degeneriert, d. h. eine Aminosäure kann durch mehrere Tripletts codiert werden.

5. Informationen über die Primärstruktur des Proteins werden sequentiell aus der mRNA gelesen, beginnend an einem festen Punkt.

6. Die meisten möglichen Tripletts haben einen „Sinn“, das heißt, sie kodieren für Aminosäuren.

7. Von den drei „Buchstaben“ eines Codons haben nur zwei (obligatorisch) eine vorherrschende Bedeutung, während der dritte (optional) deutlich weniger Informationen enthält.

Die direkte Entschlüsselung des Codes würde aus dem Vergleich der Nukleotidsequenz im Strukturgen (oder der darauf synthetisierten mRNA) mit der Aminosäuresequenz im entsprechenden Protein bestehen. Allerdings ist ein solcher Weg technisch noch nicht möglich. Zwei weitere Methoden wurden verwendet: Proteinsynthese in einem zellfreien System unter Verwendung künstlicher Polyribonukleotide bekannter Zusammensetzung als Matrix und Analyse der molekularen Muster der Mutationsbildung (siehe). Der erste brachte positive Resultate spielte früher und historisch eine große Rolle bei der Entschlüsselung von G.K.

Im Jahr 1961 verwendeten M. Nirenberg und Mattei ein Homopolymer als Matrix – synthetische Polyuridylsäure (d. h. künstliche RNA der Zusammensetzung UUUU...) und erhielten Polyphenylalanin. Daraus folgte, dass das Phenylalanin-Codon aus mehreren U besteht, d. h. im Falle eines Triplett-Codes wird es als UUU entschlüsselt. Später wurden neben Homopolymeren auch Polyribonukleotide verwendet, die aus verschiedenen Nukleotiden bestehen. Gleichzeitig war nur die Zusammensetzung der Polymere bekannt, die Lage der Nukleotide in ihnen war statistisch, daher war die Analyse der Ergebnisse statistisch und lieferte indirekte Schlussfolgerungen. Es gelang recht schnell, für alle 20 Aminosäuren mindestens ein Triplett zu finden. Es stellte sich heraus, dass das Vorhandensein organischer Lösungsmittel, Änderungen des pH-Werts oder der Temperatur, einiger Kationen und insbesondere Antibiotika den Code mehrdeutig machen: Dieselben Codons beginnen, die Aufnahme anderer Aminosäuren zu stimulieren, in einigen Fällen begann ein Codon, bis zu vier zu kodieren verschiedene Aminosäuren. Streptomycin beeinflusste das Lesen von Informationen sowohl in zellfreien Systemen als auch in vivo und war nur bei Streptomycin-empfindlichen Bakterienstämmen wirksam. Bei Streptomycin-abhängigen Stämmen „korrigierte“ es die Ablesung von Codons, die sich infolge der Mutation verändert hatten. Ähnliche Ergebnisse gaben Anlass, an der Richtigkeit der Dekodierung von G. mithilfe eines zellfreien Systems zu zweifeln; Eine Bestätigung war erforderlich, hauptsächlich durch In-vivo-Daten.

Die wichtigsten Daten zu G. c. in vivo wurden aus der Analyse gewonnen Aminosäurezusammensetzung Proteine ​​in Organismen, die mit Mutagenen (siehe) mit einem bekannten Wirkungsmechanismus behandelt werden, beispielsweise Stickstoff, der den Ersatz von C durch U und A durch G im DNA-Molekül bewirkt. Nützliche Informationen bieten auch eine Analyse von Mutationen, die durch unspezifische Mutagene verursacht werden, einen Vergleich von Unterschieden in der Primärstruktur verwandter Proteine ​​in verschiedene Typen, Korrelation zwischen der Zusammensetzung von DNA und Proteinen usw.

Die Entschlüsselung von G. to. basierend auf Daten in vivo und in vitro ergab übereinstimmende Ergebnisse. Später wurden drei weitere Methoden zur Entschlüsselung des Codes in zellfreien Systemen entwickelt: Bindung von Aminoacyl-tRNA (d. h. tRNA mit einer angehängten aktivierten Aminosäure) an Trinukleotide bekannter Zusammensetzung (M. Nirenberg et al., 1965), Bindung von Aminoacyl-tRNA mit Polynukleotiden, die mit einem bestimmten Triplett beginnen (Mattei et al., 1966), und die Verwendung von Polymeren als mRNA, bei denen nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch die Reihenfolge der Nukleotide bekannt ist (X. Korana et al. , 1965). Alle drei Methoden ergänzen sich und die Ergebnisse stimmen mit Daten aus In-vivo-Experimenten überein.

In den 70ern 20. Jahrhundert Zur besonders zuverlässigen Überprüfung der Ergebnisse der G. k.-Entschlüsselung sind Methoden aufgetaucht. Es ist bekannt, dass Mutationen, die unter dem Einfluss von Proflavin auftreten, im Verlust oder Einbau einzelner Nukleotide bestehen, was zu einer Verschiebung des Leserahmens führt. Im Phagen T4 wurde eine Reihe von Mutationen durch Proflavin verursacht, bei denen sich die Zusammensetzung des Lysozyms veränderte. Diese Zusammensetzung wurde analysiert und mit den Codons verglichen, die aus einem Frameshift entstanden sein sollten. Das Ergebnis war vollständige Compliance. Darüber hinaus konnte mit dieser Methode festgestellt werden, welche Tripletts des degenerierten Codes die einzelnen Aminosäuren kodieren. 1970 gelang es J. M. Adams und seinen Mitarbeitern, G. c. mit einer direkten Methode teilweise zu entschlüsseln: Im Phagen R17 wurde die Basensequenz in einem 57 Nukleotide langen Fragment bestimmt und mit der Aminosäuresequenz seines Hüllproteins verglichen . Die Ergebnisse stimmten vollständig mit denen überein, die mit weniger direkten Methoden erzielt wurden. Somit wurde der Code vollständig und korrekt entschlüsselt.

Die Dekodierungsergebnisse sind in einer Tabelle zusammengefasst. Es gibt die Zusammensetzung von Codons und RNA an. Die Zusammensetzung der tRNA-Anticodons ist komplementär zu den mRNA-Codons, d. h. sie enthalten statt U A, statt A - U, statt C - G und statt G - C und entsprechen den Codons Strukturgen(der DNA-Strang, aus dem Informationen abgelesen werden), mit dem einzigen Unterschied, dass Uracil den Platz von Thymin einnimmt. Von den 64 Tripletts, die durch eine Kombination von 4 Nukleotiden gebildet werden können, haben 61 „Sinn“, d. h. sie kodieren Aminosäuren, und 3 sind „Unsinn“ (bedeutungslos). Es besteht ein ziemlich klarer Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung von Tripletts und ihrer Bedeutung, der bei der Analyse der allgemeinen Eigenschaften des Codes entdeckt wurde. In einigen Fällen zeichnen sich Tripletts, die eine bestimmte Aminosäure (z. B. Prolin, Alanin) kodieren, dadurch aus, dass die ersten beiden Nukleotide (obligatorisch) gleich sind und das dritte (optional) alles sein kann. In anderen Fällen (z. B. bei der Kodierung von Asparagin, Glutamin) haben zwei ähnliche Tripletts die gleiche Bedeutung, bei der die ersten beiden Nukleotide zusammenfallen und an der Stelle des dritten ein beliebiges Purin oder ein beliebiges Pyrimidin steht.

Nonsense-Codons, von denen 2 spezielle Namen haben, die der Bezeichnung von Phagenmutanten entsprechen (UAA-Ocker, UAG-Amber, UGA-Opal), obwohl sie keine Aminosäuren kodieren, aber haben sehr wichtig beim Lesen von Informationen durch Kodierung des Endes einer Polypeptidkette.

Das Lesen von Informationen erfolgt in der Richtung von 5 1 -> 3 1 – bis zum Ende der Nukleotidkette (siehe Desoxyribonukleinsäuren). In diesem Fall verläuft die Proteinsynthese von einer Aminosäure mit einer freien Aminogruppe zu einer Aminosäure mit einer freien Carboxylgruppe. Der Beginn der Synthese wird durch die Tripletts AUG und GUG kodiert, die in diesem Fall eine spezifische Ausgangs-Aminoacyl-tRNA, nämlich N-Formylmethionyl-tRNA, umfassen. Dieselben Tripletts kodieren, wenn sie innerhalb der Kette lokalisiert sind, für Methionin bzw. Valin. Die Mehrdeutigkeit wird dadurch beseitigt, dass dem Beginn der Lektüre Unsinn vorausgeht. Es gibt Hinweise darauf, dass die Grenze zwischen Regionen der mRNA, die verschiedene Proteine ​​kodieren, aus mehr als zwei Tripletts besteht und dass die Sekundärstruktur RNA; Dieses Problem wird derzeit erforscht. Kommt innerhalb eines Strukturgens ein Nonsense-Codon vor, so wird das entsprechende Protein nur bis zur Stelle dieses Codons aufgebaut.

Die Entdeckung und Entschlüsselung des genetischen Codes ist eine herausragende Leistung Molekularbiologie- hatte Auswirkungen auf alle biologischen Wissenschaften und legte in einigen Fällen den Grundstein für die Entwicklung spezieller großer Abschnitte (siehe Molekulargenetik). Die Wirkung von Gs Entdeckung und der damit verbundenen Forschung wird mit der Wirkung verglichen, die Darwins Theorie auf die biologischen Wissenschaften hatte.

Die Universalität von G. c. ist ein direkter Beweis für die Universalität der grundlegenden molekularen Mechanismen des Lebens bei allen Vertretern organische Welt. Mittlerweile sind große Unterschiede in den Funktionen des genetischen Apparats und seiner Struktur beim Übergang von Prokaryoten zu Eukaryoten und von einzelligen zu mehrzelligen Organismen wahrscheinlich mit molekularen Unterschieden verbunden, deren Erforschung eine der Aufgaben der Zukunft ist. Seit G.K. ist Forschung nur noch eine Frage den letzten Jahren Die Bedeutung der erzielten Ergebnisse für die praktische Medizin ist jedoch nur indirekter Natur und ermöglicht es zunächst, die Natur von Krankheiten, den Wirkmechanismus von Krankheitserregern usw. zu verstehen medizinische Substanzen. Die Entdeckung solcher Phänomene wie Transformation (siehe), Transduktion (siehe), Unterdrückung (siehe) weist jedoch auf die grundsätzliche Möglichkeit hin, pathologisch veränderte Erbinformationen oder deren Korrektur zu korrigieren – die sogenannte. Gentechnik (siehe).

Tisch. GENETISCHER CODE

* Kodiert das Ende der Kette.

** Codiert auch den Anfang der Kette.

Literaturverzeichnis: Ichas M. Biologischer Code, trans. aus Englisch, M., 1971; Archer N.B. Biophysik zytogenetischer Läsionen und genetischer Code, L., 1968; Molekulargenetik, übers. aus dem Englischen, hrsg. A. N. Belozersky, Teil 1, M., 1964; Nukleinsäuren, trans. aus dem Englischen, hrsg. A. N. Belozersky, M., 1965; Watson J.D. Molekularbiologie des Gens, trans. aus Englisch, M., 1967; Physiologische Genetik, hrsg. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtomo-va, L., 1976, Bibliogr.; Desoxyribonuklease, Schlüßel des Lebens, hrsg. v„ E. Geissler, B., 1972; Der genetische Code, Gold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. Der genetische Code, N. Y. a. o., 1967.

GENETISCHER CODE, ein System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Form einer Sequenz von Nukleotidbasen in DNA-Molekülen (bei einigen Viren - RNA), das die Primärstruktur (Lage der Aminosäurereste) in Proteinmolekülen (Polypeptidmolekülen) bestimmt. Das Problem des genetischen Codes wurde nach dem Nachweis der genetischen Rolle der DNA (amerikanische Mikrobiologen O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) und der Entschlüsselung ihrer Struktur (J. Watson, F. Crick, 1953) formuliert dass Gene die Struktur und Funktionen von Enzymen bestimmen (das Prinzip „ein Gen – ein Enzym“ von J. Beadle und E. Tatem, 1941) und dass eine Abhängigkeit besteht räumliche Struktur und Proteinaktivität aus seiner Primärstruktur (F. Sanger, 1955). Die Frage, wie Kombinationen von 4 Nukleinsäurebasen den Wechsel von 20 gemeinsamen Aminosäureresten in Polypeptiden bestimmen, wurde erstmals 1954 von G. Gamow gestellt.

Basierend auf einem Experiment, in dem sie die Wechselwirkungen von Insertionen und Deletionen eines Nukleotidpaares in einem der Gene des T4-Bakteriophagen untersuchten, bestimmten F. Crick und andere Wissenschaftler 1961 allgemeine Eigenschaften genetischer Code: Triplett, d. h. jeder Aminosäurerest in der Polypeptidkette entspricht einem Satz von drei Basen (Triplett oder Codon) in der DNA des Gens; Codons innerhalb eines Gens werden von einem festen Punkt aus in einer Richtung und „ohne Kommas“ gelesen, d. h. die Codons sind nicht durch irgendwelche Zeichen voneinander getrennt; Degeneration oder Redundanz – derselbe Aminosäurerest kann von mehreren Codons (synonymen Codons) kodiert werden. Die Autoren gingen davon aus, dass sich die Codons nicht überlappen (jede Base gehört nur zu einem Codon). Die direkte Untersuchung der Kodierungskapazität von Tripletts wurde mit einem zellfreien Proteinsynthesesystem unter der Kontrolle synthetischer Boten-RNA (mRNA) fortgesetzt. Bis 1965 wurde der genetische Code in den Werken von S. Ochoa, M. Nirenberg und H. G. Korana vollständig entschlüsselt. Die Entschlüsselung der Geheimnisse des genetischen Codes gehörte zu den herausragenden Errungenschaften der Biologie des 20. Jahrhunderts.

Die Implementierung des genetischen Codes in einer Zelle erfolgt während zweier Matrixprozesse – Transkription und Translation. Der Vermittler zwischen dem Gen und dem Protein ist mRNA, die bei der Transkription auf einem der DNA-Stränge entsteht. Dabei wird die DNA-Basensequenz, die Informationen über die Primärstruktur des Proteins trägt, in Form einer mRNA-Basensequenz „umgeschrieben“. Bei der Translation auf Ribosomen wird dann die Nukleotidsequenz der mRNA von Transfer-RNAs (tRNAs) abgelesen. Letztere haben ein Akzeptorende, an das ein Aminosäurerest gebunden ist, und ein Adapterende, ein Anticodon-Triplett, das das entsprechende mRNA-Codon erkennt. Die Wechselwirkung eines Codons und eines Anti-Codons erfolgt auf der Grundlage komplementärer Basenpaarung: Adenin (A) – Uracil (U), Guanin (G) – Cytosin (C); Dabei wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des synthetisierten Proteins übersetzt. Verschiedene Organismen Verwenden Sie unterschiedliche synonyme Codons für dieselbe Aminosäure verschiedene Frequenzen. Das Lesen der mRNA, die die Polypeptidkette kodiert, beginnt (initiiert) mit dem AUG-Codon, das der Aminosäure Methionin entspricht. Seltener sind die Initiationscodons bei Prokaryoten GUG (Valin), UUG (Leucin), AUU (Isoleucin) und bei Eukaryoten UUG (Leucin), AUA (Isoleucin), ACG (Threonin), CUG (Leucin). Dies legt den sogenannten Rahmen oder die Phase des Lesens während der Translation fest, d. h., dann wird die gesamte Nukleotidsequenz der mRNA Triplett für Triplett der tRNA gelesen, bis eines der drei Terminatorcodons, oft Stopcodons genannt, auftrifft die mRNA: UAA, UAG, UGA (Tabelle). Das Ablesen dieser Tripletts führt zum Abschluss der Synthese der Polypeptidkette.

AUG- und Stoppcodons erscheinen jeweils am Anfang und am Ende der mRNA-kodierenden Polypeptidregionen.

Der genetische Code ist quasi-universal. Dies bedeutet, dass es zwischen Objekten geringfügige Unterschiede in der Bedeutung einiger Codons gibt. Dies gilt in erster Linie für Terminatorcodons, die von Bedeutung sein können. Beispielsweise kodiert UGA in den Mitochondrien einiger Eukaryoten und Mykoplasmen für Tryptophan. Darüber hinaus kodiert UGA in einigen mRNAs von Bakterien und Eukaryoten für eine ungewöhnliche Aminosäure – Selenocystein, und UAG in einem der Archaebakterien – Pyrrolysin.

Es gibt eine Sichtweise, nach der der genetische Code durch Zufall entstanden ist (Hypothese des „eingefrorenen Zufalls“). Es ist wahrscheinlicher, dass es sich weiterentwickelt hat. Diese Annahme wird durch die Existenz eines einfacheren und anscheinend mehr gestützt alte Version ein Code, der in Mitochondrien nach der „Zwei aus Drei“-Regel gelesen wird, wenn eine Aminosäure nur durch zwei der drei Basen in einem Triplett bestimmt wird.

Lit.: Crick F. N. a. Ö. Allgemeine Natur des genetischen Codes für Proteine ​​// Natur. 1961. Bd. 192; Der genetische Code. N.Y., 1966; Ichas M. Biologischer Code. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Wie der genetische Code gelesen wird: Regeln und Ausnahmen // Moderne Naturwissenschaft. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. Genetischer Code als System // Soros-Bildungsjournal. 2000. T. 6. Nr. 3.

S. G. Inge-Vechtomov.

GENETISCHER CODE, eine Methode zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Nukleinsäuremolekülen in Form einer Sequenz von Nukleotiden, die diese Säuren bilden. Eine bestimmte Nukleotidsequenz in DNA und RNA entspricht einer bestimmten Aminosäuresequenz in den Polypeptidketten von Proteinen. Der Code wird normalerweise mit geschrieben Großbuchstaben Russisch bzw Lateinisches Alphabet. Jedes Nukleotid wird durch den Buchstaben bezeichnet, mit dem der Name der in seinem Molekül enthaltenen Stickstoffbase beginnt: A (A) – Adenin, G (G) – Guanin, C (C) – Cytosin, T (T) – Thymin; In der RNA ist Uracil anstelle von Thymin U (U). Jedes wird durch eine Kombination aus drei Nukleotiden – einem Triplett oder Codon – kodiert. Kurz gesagt, der Weg der Übertragung genetischer Informationen wird im sogenannten zusammengefasst. Das zentrale Dogma der Molekularbiologie: DNA ` RNA f Protein.

IN Sonderfälle Informationen können von RNA auf DNA übertragen werden, jedoch niemals von Proteinen auf Gene.

Die Umsetzung genetischer Informationen erfolgt in zwei Schritten. IN Zellkern Informationen oder Matrix-RNA (Transkription) werden auf DNA synthetisiert. In diesem Fall wird die DNA-Nukleotidsequenz in die mRNA-Nukleotidsequenz „umgeschrieben“ (umkodiert). Anschließend gelangt die mRNA in das Zytoplasma, heftet sich an das Ribosom und darauf wird wie auf einer Matrix die Polypeptidkette des Proteins synthetisiert (Translation). Aminosäuren werden mithilfe von Transfer-RNA in einer Reihenfolge an die im Aufbau befindliche Kette angehängt, die durch die Reihenfolge der Nukleotide in der mRNA bestimmt wird.

Aus vier „Buchstaben“ können Sie 64 verschiedene „Wörter“ (Codons) mit drei Buchstaben bilden. Von den 64 Codons kodieren 61 spezifische Aminosäuren und drei sind für die Vervollständigung der Synthese der Polypeptidkette verantwortlich. Da es 61 Codons pro 20 Aminosäuren gibt, aus denen Proteine ​​bestehen, werden einige Aminosäuren von mehr als einem Codon codiert (sogenannte Code-Degeneration). Diese Redundanz erhöht die Zuverlässigkeit des Codes und des gesamten Mechanismus der Proteinbiosynthese. Eine weitere Eigenschaft des Codes ist seine Spezifität (Eindeutigkeit): Ein Codon kodiert nur eine Aminosäure.

Darüber hinaus überlappt sich der Code nicht – die Informationen werden sequentiell, Triplett für Triplett, in eine Richtung gelesen. Die erstaunlichste Eigenschaft des Codes ist seine Universalität: Er ist in allen Lebewesen gleich – vom Bakterium bis zum Menschen (mit Ausnahme des genetischen Codes der Mitochondrien). Wissenschaftler sehen darin eine Bestätigung der Vorstellung, dass alle Organismen von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.

Die Entschlüsselung des genetischen Codes, d. h. die Bestimmung der „Bedeutung“ jedes Codons und der Regeln, nach denen Informationen gelesen werden, erfolgte in den Jahren 1961–1965. und gilt als eine der bemerkenswertesten Errungenschaften der Molekularbiologie.