STRUKTURELLE UND FUNKTIONELLE ORGANISATION VON GENETISCHEM MATERIAL

4.2 Eigenschaften der DNA als Vererbungs- und Variabilitätssubstanz

4.2.3 Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenzen.

4.2.4 Elementare Variabilitätseinheiten des genetischen Materials. Mouton. Aufklärung

4.2.6 Mechanismen, die die negativen Auswirkungen von Genmutationen abschwächen

4.3 Nutzung genetischer Informationen in Lebensprozessen

4.3.2 Merkmale der Organisation und Expression genetischer Information bei Pro- und Eukaryoten

1. Vererbung und Variabilität sind grundlegende Eigenschaften des Lebens

Das Leben als besonderes Phänomen zeichnet sich durch die Dauer seiner zeitlichen Existenz aus (es entstand vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde), die durch die Kontinuität von Generationen lebender Systeme gewährleistet wird. Es gibt einen Generationenwechsel von Zellen im Körper, einen Generationenwechsel von Organismen in Populationen, einen Artenwechsel im Biozönosesystem, einen Wechsel der Biozönosen, die die Biosphäre bilden. Die kontinuierliche Existenz von Leben in der Zeit basiert auf der Fähigkeit lebender Systeme, sich selbst zu reproduzieren. Die Erhaltung des Lebens unter sich ändernden Bedingungen wird durch die Evolution der Lebensformen möglich, in deren Verlauf sie Veränderungen erfahren, die eine Anpassung an einen neuen Lebensraum ermöglichen. Die Kontinuität des Daseins und die historische Entwicklung der lebendigen Natur sind auf zwei grundlegende Eigenschaften des Lebens zurückzuführen: Vererbung und Variabilität.

V Trainingskurse die Eigenschaften der Vererbung und Variabilität werden traditionell in Bezug auf die Zelle und den Organismus betrachtet. Tatsächlich manifestieren sie sich auch auf den überorganischen Ebenen. Auf der zellulären und organismischen (ontogenetischen) Ebene der Organisation von Lebewesen wird unter Vererbung die Eigenschaft von Zellen oder Organismen im Prozess der Selbstreproduktion verstanden, einer neuen Generation die Fähigkeit zu einer bestimmten Art des Stoffwechsels und der individuellen Entwicklung zu übertragen , in denen sie gemeinsame Zeichen und Eigenschaften einer bestimmten Art von Zellen und einer Art von Organismen bilden individuelle Eingenschaften Eltern. Auf der populationsspezifischen Ebene der Lebensorganisation manifestiert sich die Vererbung in der Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses verschiedener genetischer Formen in mehreren Generationen von Organismen einer bestimmten Population (Art). Auf biozönotischer Ebene wird die langfristige Existenz der Biozönose durch die Erhaltung bestimmter Verhältnisse der Arten von Organismen, die diese Biozönose bilden, sichergestellt.

Bei der Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde spielte die Vererbung eine entscheidende Rolle, da sie in mehreren Generationen biologisch nützliche evolutionäre Errungenschaften konsolidierte und einen gewissen Konservatismus in der Organisation lebender Systeme ermöglichte. Vererbung ist einer der Hauptfaktoren in der Evolution.

Die dauerhafte Existenz der lebenden Natur vor dem Hintergrund sich ändernder Bedingungen wäre unmöglich, wenn lebende Systeme nicht die Fähigkeit hätten, einige Änderungen zu erwerben und zu bewahren, die unter neuen Umweltbedingungen nützlich sind. Die Eigenschaft lebender Systeme, Veränderungen anzunehmen und in verschiedenen Varianten zu existieren, wird als Variabilität bezeichnet.

Bei einzelnen Zellen und Organismen desselben Typs manifestiert sich die Variabilität, die ihre individuelle Entwicklung beeinflusst, in der Entstehung von Unterschieden zwischen ihnen. Auf der populationsspezifischen Ebene der Lebensorganisation manifestiert sich diese Eigenschaft in genetischen Unterschieden zwischen einzelnen Populationen einer Art, die der Bildung neuer Arten zugrunde liegen. Das Auftauchen neuer Arten führt zu Veränderungen der interspezifischen Beziehungen in Biozönosen. Variabilität spiegelt in gewissem Sinne die Dynamik der Organisation lebender Systeme wider und ist neben der Vererbung der führende Faktor der Evolution. Obwohl Vererbung und Variabilität in ihren Ergebnissen gegensätzlich gerichtet sind, bilden diese beiden grundlegenden Eigenschaften in der belebten Natur eine unauflösbare Einheit, die gleichzeitig die Erhaltung der bestehenden biologisch sinnvollen Qualitäten im Evolutionsprozess und die Entstehung neuer, die Leben unter verschiedenen Bedingungen möglich.

2. Die Geschichte der Ideenbildung über die Organisation des materiellen Substrats von Vererbung und Variabilität

Vererbung und Variabilität als wichtigste Eigenschaften jedes lebenden Systems werden durch das Funktionieren eines speziellen Materialsubstrats bereitgestellt. Im Laufe der historischen Entwicklung der Biowissenschaften werden die Vorstellungen über ihre Eigenschaften, Organisation und chemische Natur ständig erweitert und komplexer.

In den 60er Jahren. XIX Jahrhundert. der Begründer der Genetik (der Wissenschaft von Vererbung und Variabilität) G. Mendel (1865) machte die ersten Annahmen über die Organisation Erbgut... Aufgrund der Ergebnisse seiner Versuche an Erbsen kam er zu dem Schluss, dass das Erbgut diskret ist, d.h. vertreten durch individuelle erbliche Neigungen, die für die Entwicklung bestimmter Merkmale von Organismen verantwortlich sind. Nach Mendel wird im Erbgut von sich sexuell fortpflanzenden Organismen die Entwicklung eines individuellen Merkmals durch ein Paar allelischer Neigungen gewährleistet, die mit Geschlechtszellen beider Elternteile einhergingen. Wenn Gameten gebildet werden, dringt nur eine von einem Paar allelischer Neigungen in jede von ihnen ein, daher sind Gameten immer "rein". 1909 v. Johansen nannte Mendels "erbliche Neigungen" Gene.

80er Jahre XIX Jahrhundert. waren von wichtigen Fortschritten auf dem Gebiet der Zytologie geprägt: Mitose und Meiose wurden beschrieben - die Teilung von Körper- bzw. Keimzellen, bei der Kernstrukturen - Chromosomen - auf natürliche Weise zwischen Tochterzellen verteilt werden (V. Voldeyer, 1888).

Daten über die Art der Chromosomenverteilung im Prozess der Zellteilung erlaubten zu Beginn des 20. Jahrhunderts T. Boveri (1902-1907) und W. Setgon (1902-1903) kommen zu dem Schluss, dass die Kontinuität der Eigenschaften in einer Reihe von Generationen von Zellen und Organismen durch die Kontinuität ihrer Chromosomen bestimmt wird. Chromosomen wurden als materielle Träger des erblichen Programms betrachtet.

Die Weiterentwicklung der Chromosomentheorie der Vererbung, die Vorstellungen über erbliche Neigungen und Chromosomen vereint, erfolgte zu Beginn des 20. Jahrhunderts. T. Morgan und seine Mitarbeiter. An Drosophila durchgeführte Experimente bestätigten die zuvor geäußerte Annahme über die Rolle der Chromosomen bei der Sicherstellung der Vererbung. Es wurde festgestellt, dass Gene in Chromosomen in einer linearen Reihenfolge angeordnet sind. Die Gene jedes Chromosoms bilden eine Verknüpfungsgruppe, deren Anzahl durch die Anzahl der Chromosomen in den Keimzellen bestimmt wird. Gene der gleichen Verknüpfungsgruppe werden normalerweise gemeinsam vererbt. In einigen Fällen werden sie jedoch durch Crossing-over rekombiniert, deren Häufigkeit von der Entfernung zwischen den Genen abhängt.

Somit spiegelt die Chromosomentheorie eines der wichtigsten Prinzipien der Genetik wider – die Einheit von Diskretion und Kontinuität des Erbguts.

Es sei darauf hingewiesen, dass auch zu Beginn des XX Jahrhunderts. Es wurden Tatsachen entdeckt, die das Vorhandensein von extrachromosomalem Erbmaterial in Zellen bewiesen, das in verschiedenen zytoplasmatischen Strukturen lokalisiert ist und eine spezielle zytoplasmatische Vererbung bestimmt (K. Correns, 1908).

Etwa zur gleichen Zeit legte H. de Vries (1901) die Grundlagen für die Lehre von der Mutationsvariabilität, die mit plötzlichen Veränderungen der erblichen Neigungen oder Chromosomen verbunden ist, die zu Veränderungen bestimmter Eigenschaften des Organismus führen. In den Folgejahren wurden mutagene Wirkungen von Röntgenstrahlen, Strahlung, bestimmten Chemikalien und biologischen Wirkstoffen auf Chromosomen und Gene entdeckt.

Als Ergebnis dieser Studien wurde deutlich, dass Vererbung und Variabilität auf die Funktionsweise desselben materiellen Substrats zurückzuführen sind.

In den ersten Jahrzehnten des XX Jahrhunderts. Es wurden Daten gewonnen, die für die Abhängigkeit des Zustands von Merkmalen von der Art der Interaktion der Gene zeugen, die über die von Mendel beschriebenen Relationen von Dominanz und Rezessivität hinausging. Daher entstand die Idee des genetischen Apparats als System interagierender Gene – ein Genotyp, der in einem Chromosomensatz konzentriert ist – ein Karyotyp.

Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Chromosomen ergab zwei Haupttypen von Verbindungen, die diese Strukturen bilden - Proteine ​​und Nukleinsäuren. In der ersten Hälfte des XX Jahrhunderts. Forscher entschieden die Frage nach der chemischen Natur des Substrats der Vererbung und Variabilität. Zunächst wurden die Annahmen zugunsten von Proteinen getroffen. 1928 F. Griffith führte ein Experiment zu Pneumokokken durch, bei dem eine Veränderung (Transformation) einiger erblicher Eigenschaften eines Bakterienstamms unter dem Einfluss von Material aus abgetöteten Zellen eines anderen Stamms beobachtet wurde. Die chemische Natur der Substanz, die die erblichen Eigenschaften von Bakterien verändert, wurde erst 1944 von O. Avery, der bewies, dass es sich um eine Nukleinsäure (DNA) handelt.

Andere Beweise für die Beteiligung der DNA an der Gewährleistung von Vererbung und Variabilität sind:

1) die Konstanz des DNA-Gehalts in allen Arten von somatischen Zellen des Körpers;

2) die Übereinstimmung des DNA-Gehalts mit der Ploidie der Zellen (bei somatischen Zellen ist er doppelt so hoch wie bei Geschlechtszellen, bei polyploiden Zellen entspricht er der Anzahl der Chromosomensätze);

3) das Phänomen der genetischen Rekombination in Bakterien während ihrer Konjugation, bei der ein Teil der DNA von einer Zelle in eine andere eindringt und deren Eigenschaften ändert;

4) Veränderung der erblichen Eigenschaften von Bakterienzellen durch Übertragung von DNA von einem Stamm auf einen anderen unter Verwendung eines DNA-Phagen - das Phänomen der Transduktion;

5) die infektiöse Aktivität der isolierten Nukleinsäure von Viren.

Ein wichtiges Ergebnis der gezielten Untersuchung von Nukleinsäuren war die Schaffung eines räumlichen Modells des DNA-Moleküls durch J. Watson und F. Crick (1953).

In der zweiten Hälfte des XX Jahrhunderts. die Bemühungen der Wissenschaftler zielen darauf ab, die Eigenschaften von Nukleinsäuren zu untersuchen, die die Grundlage ihrer genetischen Funktionen bilden, Methoden zur Erfassung und zum Lesen von Erbinformationen, die Art und Struktur des genetischen Codes, Mechanismen der Regulation der Genaktivität bei der Bildung von Individuen Merkmale und den Phänotyp als Ganzes. In den 60er Jahren. durch die Arbeiten von M. Nirenberg, S. Ochoa, H. Korana und anderen wurde eine vollständige Entschlüsselung des genetischen Codes vorgenommen, die Entsprechung von Tripletts von Nukleotiden in einem Nukleinsäuremolekül zu bestimmten Aminosäuren festgestellt. In den 70er Jahren. Methoden der Gentechnik wurden aktiv entwickelt, um die erblichen Eigenschaften lebender Organismen gezielt zu verändern.

Ende des 20. Jahrhunderts wurde es dank neuer molekulargenetischer Technologien möglich, die Nukleotidsequenzen in den DNA-Molekülen der Genome verschiedener Organismen zu bestimmen (Lesen von DNA-Texten). Die DNA-Texte des menschlichen Genoms mit insgesamt 3 Milliarden Basenpaaren wurden bis 2001 größtenteils gelesen. Die wissenschaftliche und praktische Richtung der Molekularbiologie, die darauf abzielt, die Nukleotidsequenzen von DNA-Molekülen zu bestimmen, wird als Genomik bezeichnet.

3. Allgemeine Eigenschaften des genetischen Materials und Organisationsgrad des genetischen Apparats

Aufgrund der obigen Definitionen von Vererbung und Variabilität kann angenommen werden, welche Anforderungen an das materielle Substrat dieser beiden Eigenschaften des Lebens gestellt werden sollten.

Zunächst muss das genetische Material in der Lage sein, sich selbst zu replizieren. der Reproduktionsprozess zur Übertragung von Erbinformationen, auf deren Grundlage die Bildung einer neuen Generation durchgeführt wird. Zweitens muss das Erbgut seine konstante Organisation beibehalten, um die Stabilität der Merkmale in einer Reihe von Generationen zu gewährleisten. Drittens muss das Material der Vererbung und Variabilität die Fähigkeit besitzen, Veränderungen zu erwerben und zu reproduzieren, was die Möglichkeit der historischen Entwicklung der lebenden Materie unter sich ändernden Bedingungen bietet. Nur wenn die spezifizierten Anforderungen erfüllt sind, kann das materielle Substrat der Vererbung und Variabilität die Dauer und Kontinuität der Existenz der belebten Natur und ihrer Evolution gewährleisten.

Moderne Vorstellungen über die Natur des genetischen Apparats ermöglichen es, drei Ebenen seiner Organisation zu unterscheiden: Gen, Chromosomen und Genom. Jeder von ihnen zeigt die grundlegenden Eigenschaften des Materials der Vererbung und Variabilität und bestimmte Muster seiner Übertragung und Funktionsweise.

4. Genebene der Organisation des genetischen Apparats

Eine elementare Funktionseinheit des genetischen Apparats, die die Möglichkeit der Entwicklung eines individuellen Merkmals einer Zelle oder eines Organismus einer bestimmten Art bestimmt, ist ein Gen (Erbgut nach G. Mendel). Durch die Übertragung von Genen in eine Reihe von Generationen von Zellen oder Organismen wird materielle Kontinuität erreicht - die Vererbung elterlicher Merkmale durch die Nachkommen.

Unter einem Merkmal wird eine Einheit morphologischer, physiologischer, biochemischer, immunologischer, klinischer und sonstiger Eigenheiten von Organismen (Zellen) verstanden, d.h. eine separate Eigenschaft oder Eigenschaft, durch die sie sich voneinander unterscheiden.

Die meisten der oben genannten Merkmale von Organismen oder Zellen gehören zur Kategorie der komplexen Merkmale, deren Bildung die Synthese vieler Substanzen erfordert, hauptsächlich Proteine ​​mit spezifischen Eigenschaften - Enzyme, Immunproteine, Struktur-, Kontraktil-, Transport- und andere Proteine. Die Eigenschaften eines Proteinmoleküls werden durch die Aminosäuresequenz seiner Polypeptidkette bestimmt, die direkt durch die Nukleotidsequenz in der DNA des entsprechenden Gens spezifiziert wird und ein elementares oder einfaches Merkmal ist.

Die Haupteigenschaften eines Gens als funktionelle Einheit des genetischen Apparats werden durch seine chemische Organisation bestimmt,

4.1 Chemische Organisation eines Gens

Untersuchungen zur Aufklärung der chemischen Natur des Erbgutes haben unwiderlegbar bewiesen, dass das materielle Substrat der Vererbung und Variabilität Nukleinsäuren sind, die von F. Misher (1868) in den Kernen von Eiterzellen entdeckt wurden. Nukleinsäuren sind Makromoleküle, d.h. unterscheiden sich groß Molekulargewicht... Dies sind Polymere, die aus Monomeren bestehen - Nukleotiden, die drei Komponenten enthalten: Zucker (Pentose), Phosphat und eine stickstoffhaltige Base (Purin oder Pyrimidin). An das erste Kohlenstoffatom des C-1-Pentosemoleküls ist eine stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin oder Uracil) und an das fünfte Kohlenstoffatom C-5" Phosphat über eine Etherbindung gebunden; das dritte Kohlenstoffatom C-3 "hat immer eine Hydroxylgruppe - OH (Abb. 1).

Die Verbindung von Nukleotiden zu einem Nukleinsäure-Makromolekül erfolgt durch die Wechselwirkung des Phosphats eines Nukleotids mit dem Hydroxyl eines anderen, so dass zwischen ihnen eine Phosphodiester-Bindung aufgebaut wird (Abb. 2). Als Ergebnis wird eine Polynukleotidkette gebildet. Das Rückgrat der Kette besteht aus abwechselnden Phosphat- und Zuckermolekülen. Eine der obigen stickstoffhaltigen Basen ist an die Pentosemoleküle in der C-1"-Position gebunden (Fig. 3).

Abb. 1. Nukleotidstrukturdiagramm

Erläuterung siehe Text; die in dieser Abbildung verwendeten Bezeichnungen der Nukleotidkomponenten werden in allen nachfolgenden Nukleinsäureschemata beibehalten

Der Zusammenbau der Polynukleotidkette erfolgt unter Beteiligung des Polymerase-Enzyms, das die Anlagerung der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids an die Hydroxylgruppe in Position 3" des vorherigen Nukleotids gewährleistet (Abb. 3.3). Aufgrund der Spezifität der Wirkung dieses Enzyms festgestellt, erfolgt der Aufbau der Polynukleotidkette nur an einem Ende: dort, wo sich das freie Hydroxyl an Position 3 befindet ". Der Kettenanfang trägt immer eine Phosphatgruppe an der 5"-Position. Dadurch lassen sich die 5"- und 3"-Enden darin unterscheiden.

Unter den Nukleinsäuren werden zwei Arten von Verbindungen unterschieden: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die Untersuchung der Zusammensetzung der Hauptträger des Erbguts - der Chromosomen - ergab, dass ihre chemisch stabilste Komponente die DNA ist, die ein Substrat der Vererbung und Variabilität ist.

4.1.1 DNA-Struktur. Modell von J. Watson und F. Crick

DNA besteht aus Nukleotiden, zu denen Zucker - Desoxyribose, Phosphat und eine der stickstoffhaltigen Basen - Purin (Adenin oder Guanin) oder Pyrimidin (Thymin oder Cytosin) gehören. Ein Merkmal der strukturellen Organisation der DNA besteht darin, dass ihre Moleküle zwei Polynukleotidketten umfassen, die auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sind. Nach dem 1953 vom amerikanischen Biophysiker J. Watson und dem englischen Biophysiker und Genetiker F. Crick vorgeschlagenen dreidimensionalen DNA-Modell sind diese Ketten nach dem Prinzip der Komplementarität durch Wasserstoffbrücken zwischen ihren stickstoffhaltigen Basen miteinander verbunden . Adenin einer Kette ist durch zwei Wasserstoffbrücken mit Thymin der anderen Kette verbunden, und zwischen Guanin und Cytosin verschiedener Ketten werden drei Wasserstoffbrücken gebildet. Diese Verbindung von stickstoffhaltigen Basen sorgt für eine starke Bindung zwischen den beiden Ketten und hält durchgehend einen gleichen Abstand zwischen ihnen.

Abb. 4. Diagramm der Struktur des DNA-Moleküls. Pfeile zeigen Antiparallelität der Ziele an.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Kombination zweier Polynukleotidketten in einem DNA-Molekül ist ihre Antiparallelität: Das 5"-Ende der einen Kette ist mit dem 3"-Ende der anderen verbunden und umgekehrt (Abb. 4).

Röntgenstrukturanalysedaten zeigten, dass ein DNA-Molekül, das aus zwei Strängen besteht, eine um seine eigene Achse verdrehte Spirale bildet. Der Helixdurchmesser beträgt 2 nm, die Schrittlänge beträgt 3,4 nm. Jeder Zug enthält 10 Basenpaare.

Am häufigsten sind Doppelhelices rechtshändig - beim Aufwärtsbewegen entlang der Spiralachse drehen sich die Ketten nach rechts. Die meisten DNA-Moleküle in Lösung liegen in der rechtshändigen B-Form (B-DNA) vor. Es werden jedoch auch linkshändige Formen (Z-DNA) gefunden. Wie viel dieser DNA in Zellen vorhanden ist und welche biologische Bedeutung sie hat, ist noch nicht geklärt (Abbildung 3.5).

Abb. 5. Räumliche Modelle von linkshändiger Z-Form (I) und rechtshändiger B-Form (II) DNA

So ist es in der strukturellen Organisation des DNA-Moleküls möglich, eine Primärstruktur - eine Polynukleotidkette, eine Sekundärstruktur - zwei komplementäre und antiparallele Polynukleotidketten, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, und eine Tertiärstruktur - eine dreidimensionale Helix mit . zu unterscheiden obige räumliche Eigenschaften.

4.1.2 Verfahren zur Aufzeichnung genetischer Informationen in einem DNA-Molekül. Biologischer Code und seine Eigenschaften

In erster Linie wird die ganze Vielfalt des Lebens durch eine Vielzahl von Proteinmolekülen bestimmt, die verschiedene Funktionen erfüllen biologische Funktionen... Die Struktur von Proteinen wird durch die Menge und Anordnung der Aminosäuren in ihren Peptidketten bestimmt. Es ist diese Aminosäuresequenz in Peptiden, die in DNA-Molekülen unter Verwendung eines biologischen (genetischen) Codes kodiert wird. Die relative Primitivität der DNA-Struktur, die den Wechsel von nur vier verschiedenen Nukleotiden darstellt, hielt Forscher lange Zeit davon ab, diese Verbindung als materielles Substrat der Vererbung und Variabilität zu betrachten, in dem die unterschiedlichsten Informationen verschlüsselt werden müssen.

1954 G. Gamov schlug vor, dass die Kodierung von Informationen in DNA-Molekülen durch Kombinationen mehrerer Nukleotide erfolgen sollte. In der Vielfalt der in der Natur vorkommenden Proteine ​​wurden etwa 20 verschiedene Aminosäuren gefunden. Um eine solche Anzahl von ihnen zu verschlüsseln, kann eine ausreichende Anzahl von Nukleotidkombinationen nur durch einen Triplettcode bereitgestellt werden, bei dem jede Aminosäure mit drei benachbarten Nukleotiden verschlüsselt ist. In diesem Fall werden 4 3 = 64 Tripletts aus vier Nukleotiden gebildet. Ein aus zwei Nukleotiden bestehender Code würde es ermöglichen, nur 4 2 = 16 verschiedene Aminosäuren zu verschlüsseln.

Die vollständige Entschlüsselung des genetischen Codes wurde in den 60er Jahren durchgeführt. unser Jahrhundert. Von den 64 möglichen DNA-Tripletts kodieren 61 für verschiedene Aminosäuren; die restlichen 3 wurden als bedeutungslos oder "unsinnige Tripletts" bezeichnet. Sie verschlüsseln keine Aminosäuren und dienen als Satzzeichen beim Lesen von Erbinformationen. Dazu gehören ATT, ATCT, ATC.

Es wird auf die offensichtliche Redundanz des Codes hingewiesen, die sich darin äußert, dass viele Aminosäuren mit mehreren Tripletts verschlüsselt sind (Abb. 6). Diese Eigenschaft des Triplett-Codes, Degeneration genannt, ist sehr wichtig, da das Auftreten von Veränderungen in der Struktur des DNA-Moleküls wie der Austausch eines Nukleotids in der Polynukleotidkette die Bedeutung des Tripletts nicht ändern kann. Die resultierende neue Kombination von drei Nukleotiden kodiert dieselbe Aminosäure.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften des genetischen Codes wurde seine Spezifität entdeckt. Jedes Triplett kann nur eine bestimmte Aminosäure kodieren. Ein interessanter Fakt ist die vollständige Entsprechung des Codes in verschiedenen Arten von lebenden Organismen. Diese Universalität des genetischen Codes zeugt von der Einheitlichkeit des Ursprungs der gesamten Vielfalt der Lebensformen auf der Erde im Prozess der biologischen Evolution. Geringfügige Unterschiede im genetischen Code finden sich in der DNA der Mitochondrien einiger Arten. Dies widerspricht nicht der allgemeinen Aussage über die Universalität des Kodex, sondern zeugt von einer gewissen Divergenz seiner Entwicklung in den frühen Lebensstadien. Die Entschlüsselung des Codes in der DNA von Mitochondrien verschiedener Spezies zeigte, dass in allen Fällen ein gemeinsames Merkmal in der mitochondrialen DNA festgestellt wird: Das ACT-Triplett wird als ACC gelesen und wird daher aus einem Nonsense-Triplett in eine Tryptophan-Aminosäure-Chiffre.

Abb. 6. Aminosäuren und DNA-Tripletts, die sie kodieren

Andere Merkmale sind spezifisch für verschiedene Arten von Organismen. In Hefe kodiert das Triplett-HAT und möglicherweise die gesamte HA-Familie Threonin anstelle der Aminosäure Leucin. Bei Säugetieren hat das TAG-Triplett die gleiche Bedeutung wie TAC und kodiert anstelle von Isoleucin die Aminosäure Methionin. Die TCG- und TCT-Tripletts in der mitochondrialen DNA einiger Spezies kodieren keine Aminosäuren, da es sich um Nonsense-Tripletts handelt. Die wichtigsten Merkmale des genetischen Codes sind neben Triplett, Degeneration, Spezifität und Universalität seine Kontinuität und nicht überlappende Codons beim Lesen. Dies bedeutet, dass die Sequenz der Nukleotide lückenlos Triplett für Triplett gelesen wird, während benachbarte Tripletts sich nicht überlappen, d.h. jedes einzelne Nukleotid ist Teil von nur einem Triplett in einem gegebenen Leseraster (Abbildung 3.7). Der Beweis für die Nichtüberlappung des genetischen Codes ist der Austausch von nur einer Aminosäure im Peptid, während ein Nukleotid in der DNA ersetzt wird. Wenn ein Nukleotid in mehreren überlappenden Tripletts enthalten ist, würde sein Ersatz einen Ersatz von 2-3 Aminosäuren in der Peptidkette mit sich bringen.

Abb. 7. Kontinuität und Unbestreitbarkeit des genetischen Codes beim Lesen von Erbinformationen.

Nukleotide werden mit Zahlen bezeichnet

4.2 Eigenschaften der DNA als Erbsubstanz und Variabilität

4.2.1 Selbstreproduktion von Erbgut. DNA Replikation

Eine der Haupteigenschaften des Vererbungsmaterials ist seine Fähigkeit zur Selbstkopie - Replikation. Diese Eigenschaft wird durch die Funktionen bereitgestellt chemische Organisation ein DNA-Molekül, das aus zwei komplementären Strängen besteht. Bei der Replikation wird an jeder Polynukleotidkette des Eltern-DNA-Moleküls eine komplementäre Kette synthetisiert. Dadurch entstehen aus einer DNA-Doppelhelix zwei identische Doppelhelices. Diese Methode zur Verdoppelung von Molekülen, bei der jedes Tochtermolekül eine Eltern- und eine neu synthetisierte Kette enthält, wird als halbkonserviert bezeichnet.

Damit die Replikation stattfinden kann, müssen mütterliche DNA-Stränge voneinander getrennt werden, um zu Matrizen zu werden, auf denen komplementäre Ketten von Tochtermolekülen synthetisiert werden.

Die Initiierung der Replikation erfolgt in speziellen DNA-Regionen, die als ori (vom englischen Ursprung - Anfang) bezeichnet werden. Sie umfassen eine Sequenz von 300 Basenpaaren, die von spezifischen Proteinen erkannt werden. Die DNA-Doppelhelix an diesen Loci ist in zwei Stränge gespalten, und in der Regel werden auf beiden Seiten des Replikationsursprungs Divergenzbereiche von Polynukleotidketten gebildet - Replikationsgabeln, die sich in entgegengesetzte Richtungen zum Ori-Locus bewegen . Zwischen den Replikationsgabeln entsteht eine Struktur namens Replikationsauge, in der neue Polynukleotidketten auf zwei Strängen der DNA der Mutter gebildet werden (Abbildung 8, A).

Mit Hilfe des Enzyms Helikase, das Wasserstoffbrückenbindungen aufbricht, wird die Doppelhelix der DNA an den Replikationsursprungsstellen abgewickelt. Die resultierenden DNA-Einzelstränge werden von speziellen destabilisierenden Proteinen gebunden, die das Rückgrat der Ketten strecken und ihre stickstoffhaltigen Basen für die Bindung an komplementäre Nukleotide im Nukleoplasma verfügbar machen. An jeder der im Bereich der Replikationsgabel gebildeten Ketten wird unter Beteiligung des DNA-Polymerase-Enzyms die Synthese komplementärer Ketten durchgeführt (Abb. 8, B).

Abb. 8. Startbereich für die Replikation. Replikationsgabel

A. Bildung eines Replikationsocellus.

B. Die Region der Replikationsgabel im DNA-Molekül

Bei der Synthese bewegen sich Replikationsgabeln entlang der mütterlichen Spirale in entgegengesetzte Richtungen und erobern immer neue Zonen.

Die Trennung der helixförmig verdrillten Stränge der elterlichen DNA durch das Enzym Helikase verursacht das Auftreten von Supercoils vor der Replikationsgabel. Dies liegt daran, dass die Eltern-DNA für jeweils 10 Basenpaare, die eine Windung der Helix bilden, eine vollständige Umdrehung um ihre Achse machen muss. Um die Replikationsgabel voranzutreiben, müsste sich daher das gesamte DNA-Molekül davor schnell drehen, was einen hohen Energieaufwand erfordert. Dies wird aufgrund einer speziellen Klasse von Proteinen, die als DNA-Topoisomerasen bezeichnet werden, tatsächlich nicht beobachtet. Die Topoisomerase bricht einen der DNA-Stränge, wodurch er sich um den zweiten Strang drehen kann. Dies schwächt die akkumulierte Spannung in der DNA-Doppelhelix (Abb. 9).

Freie Nukleotide aus dem Nukleoplasma werden an die freigesetzten Wasserstoffbrücken der Nukleotidsequenzen der getrennten Elternketten angehängt, wo sie in Form von Desoxyribonukleosidtriphosphaten vorliegen: dATP, dGTP, dCTP, dTTP. Das komplementäre Nukleosidtriphosphat bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit einer spezifischen Base der Stamm-DNA-Kette. Dann bindet es unter Beteiligung des DNA-Polymerase-Enzyms mit einer Phosphodiester-Bindung an das vorherige Nukleotid der neu synthetisierten Kette und gibt anorganisches Pyrophosphat ab (Abb. 10).

Da die DNA-Polymerase das nächste Nukleotid an die OH-Gruppe an der 3"-Position des vorhergehenden Nukleotids bindet, verlängert sich die Kette allmählich an ihrem 3"-Ende.

Ein Merkmal der DNA-Polymerase ist ihre Unfähigkeit, die Synthese einer neuen Polynukleotidkette durch einfaches Verbinden zweier Nukleosidtriphosphate zu starten: Ein 3"-OH-Ende einer Polynukleotidkette wird benötigt, gepaart mit einem DNA-Matrizenstrang, an den DNA-Polymerase fügen Sie nur neue Nukleotide hinzu.Die β-Leotid-Kette wird als Primer oder Primer bezeichnet.

Die Rolle eines Primers für die Synthese von Polynukleotid-DNA-Ketten während der Replikation spielen kurze RNA-Sequenzen, die unter Beteiligung des RNA-Primase-Enzyms gebildet werden (Abb. 11). Diese Eigenschaft der DNA-Polymerase bedeutet, dass nur ein DNA-Strang, der einen damit gepaarten Primer trägt, der ein freies 3"-OH-Ende aufweist, als Matrize für die Replikation dienen kann.

Abb. 9. Bruch eines der DNA-Stränge unter Verwendung des Enzyms DNA-Topoisomerase: I - DNA-Topoisomerase bildet eine kovalente Bindung mit einer der Phosphatgruppen der DNA (obere Kette); II - durch Aufbrechen der Phosphodiesterbindung in einer Polynukleotidkette wird eine Rotation um die entsprechende Bindung der anderen Kette durchgeführt, was die durch die Divergenz zweier DNA-Stränge im Bereich der Replikationsgabel verursachte Spannung abbaut; III - nachdem die Spannung in der DNA-Helix beseitigt ist, erfolgt spontane Trennung der DNA-Topoisomerase und Wiederherstellung der Phosphodiester-Bindung in der DNA-Kette

Die Fähigkeit der DNA-Polymerase, ein Polynukleotid in Richtung vom 5"- zum 3"-Ende mit antiparalleler Verbindung zweier DNA-Stränge aufzubauen, bedeutet, dass der Replikationsprozess an ihnen unterschiedlich ablaufen sollte. In der Tat, wenn auf einer der Matrizen (3 "→ 5") eine neue Kette kontinuierlich vom 5"- bis zum 3"-Ende aufgebaut wird und sie sich am 3"-Ende allmählich verlängert, dann wird die andere Kette auf der Matrix synthetisiert ( 5" → 3"), sollte vom 3" - zum 5" Ende gewachsen sein. Dies widerspricht der Wirkrichtung des Enzyms DNA-Polymerase.

Abb. 10. Anheftung des nächsten Nukleotids an den Tochterstrang der unter Beteiligung der DNA-Polymerase synthetisierten DNA: PF-Pyrophosphat

Es wurde nun festgestellt, dass die Synthese des zweiten DNA-Strangs durch kurze Fragmente (Okazaki-Fragmente) auch in Richtung vom 5"- zum 3"-Ende erfolgt (wie das Nähen "mit einer Nadel zurück"). In Prokaryoten enthalten Okazaki-Fragmente 1000 bis 2000 Nukleotide, in Eukaryoten sind sie viel kürzer (von 100 bis 200 Nukleotiden). Der Synthese jedes dieser Fragmente geht die Bildung eines etwa 10 Nukleotide langen RNA-Primers voraus. Das neu gebildete Fragment wird mit dem vorherigen Fragment unter Verwendung des DNA-Ligase-Enzyms nach Entfernung seines RNA-Primers kombiniert (Fig. 12, A).

Aufgrund dieser Merkmale ist die Replikationsgabel asymmetrisch. Von den beiden synthetisierten Tochterketten wird eine kontinuierlich aufgebaut, ihre Synthese ist schneller und diese Kette wird als führende Kette bezeichnet. Die Synthese des anderen Strangs ist langsamer, da er aus einzelnen Fragmenten zusammengesetzt wird, die die Bildung und anschließende Entfernung des RNA-Primers erfordern. Daher wird eine solche Kette als nacheilend (nacheilend) bezeichnet. Obwohl einzelne Fragmente in Richtung 5 "→ 3" gebildet werden, wächst diese Kette im Allgemeinen in Richtung 3 "→ 5" (Abb. 3.12, A). Da in der Regel zwei Replikationsgabeln vom Ori-Locus ausgehen und in entgegengesetzte Richtungen gehen, erfolgt die Synthese der führenden Ketten in ihnen an verschiedenen Ketten der mütterlichen DNA (Abb. 12, B). Das Endergebnis des Replikationsvorgangs ist die Bildung von zwei DNA-Molekülen, deren Nukleotidsequenz mit der der mütterlichen DNA-Doppelhelix identisch ist.

Abb. 11. Schema der Synthesereaktion eines kurzen RNA-Primers, katalysiert durch RNA-Primase

Die betrachtete Abfolge von Ereignissen, die während der replikativen Synthese auftreten, setzt die Beteiligung eines ganzen Systems von Enzymen voraus: Helikase, Topoisomerase, destabilisierende Proteine, DNA-Polymerase und andere, die im Bereich der Replikationsgabel zusammenwirken (Abb. 13).

Die DNA-Replikation bei Pro- und Eukaryoten ist grundsätzlich ähnlich, jedoch ist die Syntheserate bei Eukaryoten (ca. 100 Nukleotide/s) um eine Größenordnung geringer als bei Prokaryoten (1000 Nukleotide/s). Der Grund dafür kann die Bildung von eukaryontischer DNA aus ausreichend starken Verbindungen mit Proteinen sein, die ihre für die replikative Synthese notwendige Despiralisierung erschwert.

Ein DNA-Fragment vom Replikationsursprung bis zu seiner Termination bildet eine Replikationseinheit - ein Replikon. Nach dem Start am Ursprung (Locus on) wird die Replikation fortgesetzt, bis das gesamte Replikon dupliziert ist. Kreisförmige DNA-Moleküle von prokaryotischen Zellen haben eines am Locus und sind vollständig separate Replikons. Eukaryontische Chromosomen enthalten eine große Anzahl von Replikons. Dabei beginnt die Verdoppelung des entlang des eukaryontischen Chromosoms befindlichen DNA-Moleküls an mehreren Stellen. In verschiedenen Replikons kann die Verdopplung zu unterschiedlichen Zeiten oder gleichzeitig auftreten.

Reis. 12. Synthese von zwei Tochtersträngen der DNA an verschiedenen Strängen des Muttermoleküls

A. Aufgrund der Antiparallelität von DNA-Strängen verläuft die Synthese von Tochterketten auf unterschiedliche Weise, an der oberen mütterlichen Kette wird eine kontinuierlich führende Kette synthetisiert, an der unteren mütterlichen Kette wird die Tochterkette aus Okazaki-Fragmenten zusammengesetzt - eine Verzögerung Kette.

B. Die Synthese führender Stränge in multidirektionalen Gabeln erfolgt an verschiedenen Strängen der mütterlichen DNA

4.2.2 Mechanismen zur Aufrechterhaltung der DNA-Nukleoidsequenz. Chemische Stabilität. Reproduzieren. Reparatur

Um die Hauptmerkmale einer Zelle oder eines Organismus während ihres gesamten Lebens sowie über mehrere Generationen hinweg zu erhalten, muss das Erbgut gegen äußere Einflüsse resistent sein oder es müssen Mechanismen zur Korrektur der darin auftretenden Veränderungen vorhanden sein. Beide Faktoren werden bei Wildtieren verwendet. Der dritte Faktor ist die Genauigkeit beim Kopieren der Nukleotidsequenzen der DNA der Mutter während ihrer Replikation.

Abb. 13. Proteine, die an der DNA-Replikation beteiligt sind

DNA-Helikase entwickelt die Doppelhelix der DNA und trennt ihre Polynukleotidketten; destabilisierende Proteine ​​begradigen einen Teil der DNA-Kette; DNA-Topoisomerase bricht die Phosphodiesterbindung in einer der Polycarbonatketten der DNA, wodurch der Stress abgebaut wird, der durch das Abwickeln der Helix und die Divergenz der Ketten in der Replikationsgabel verursacht wird; RNA-Primase synthetisiert RNA-Primer für den Tochterstrang und für jedes Fragment des Okazaki; Die DNA-Polymerase führt die kontinuierliche Synthese des führenden Strangs und die Synthese der Okazaki-Fragmente des nacheilenden Strangs durch; DNA-Ligase ligiert Okazaki-Fragmente nach Entfernen des RNA-Primers

Hinsichtlich der Reaktivität werden DNA-Moleküle als chemisch inerte Stoffe eingestuft. Es ist bekannt, dass die Rolle einer Erbsubstanz nicht nur die DNA, sondern auch die RNA (einige Viren) spielen kann. Es wird angenommen, dass die Entscheidung zugunsten von DNA auf ihre geringere Reaktivität im Vergleich zu RNA zurückzuführen ist.

Der oben betrachtete Replikationsmechanismus zeichnet sich durch eine extrem hohe Wiedergabetreue der DNA-Struktur aus. Bei der DNA-Verdopplung treten Fehler im Mittel mit einer Häufigkeit von 1 · 10 -6 komplementären Basenpaaren auf.

Bei der Aufrechterhaltung einer hohen Replikationsgenauigkeit spielt vor allem das Enzym DNA-Polymerase eine wichtige Rolle. Dieses Enzym selektiert aus den im Kernsaft vorhandenen Nukleosidtriphosphaten (ATP, TTF, GTP, CTP) die notwendigen Nukleotide, deren exakte Anbindung an die Matrizen-DNA-Kette und deren Einbau in die wachsende Tochterkette. Die Häufigkeit des Einschlusses inkorrekter Nukleotide in diesem Stadium beträgt 1 · 10 –5 Basenpaare.

Solche Fehler in der Arbeit der DNA-Polymerase sind mit dem Auftreten veränderter Formen von stickstoffhaltigen Basen verbunden, die mit den Basen der Elternkette "illegale" Paare bilden. Beispielsweise ist eine veränderte Form von Cytosin anstelle von Guanin über Wasserstoff an Adenin gebunden. Als Ergebnis wird ein fehlerhaftes Nukleotid in den wachsenden DNA-Strang eingeschlossen. Der schnelle Übergang der veränderten Form einer solchen Base in die übliche unterbricht ihre Bindung an die Matrix, ein ungepaartes 3 "OH-Ende der wachsenden DNA-Kette erscheint. In dieser Situation wird der Mechanismus der Selbstkorrektur, durchgeführt von DNA-Polymerase (oder ein eng verwandtes Enzym - Editing-Endonuklease) aktiviert wird, besteht in der Spaltung eines fälschlicherweise in den DNA-Strang eingeschlossenen Nukleotids, das nicht mit der Matrix gepaart ist (Abb. 14. Die Folge der Selbstkorrektur ist ein 10 -fache Verringerung der Fehlerquote (von 10 -5 auf 10 -6).

Trotz der Wirksamkeit der Selbstkorrektur werden während der Replikation nach der DNA-Duplikation Fehler darin erkannt. Dies wird besonders häufig beobachtet, wenn die Konzentration von vier Nukleosidtriphosphaten im umgebenden Substrat gestört ist. Ein wesentlicher Teil der Veränderungen tritt auch in DNA-Molekülen als Folge spontan auftretender Prozesse auf, die mit dem Verlust von Purinbasen - Adenin und Guanin (Apurinisierung) - oder der Desaminierung von Cytosin, das in Uracil umgewandelt wird, einhergehen. Die Häufigkeit der letzteren Veränderungen erreicht 100 pro Genom / Tag.

Die in der DNA enthaltenen Basen können sich unter dem Einfluss reaktiver Verbindungen verändern, die ihre normale Paarung stören, sowie unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung, die die Bildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei benachbarten Thyminresten in der DNA (Thymindimere) verursachen kann. Diese Veränderungen im nächsten Replikationszyklus sollten entweder zum Verlust von Basenpaaren in der Tochter-DNA oder zum Ersatz einiger Paare durch andere führen. Diese Veränderungen begleiten zwar jeden DNA-Replikationszyklus, aber ihre Häufigkeit ist viel geringer als sie sein sollte. Dies liegt daran, dass die meisten Veränderungen dieser Art durch die Wirkung des Reparaturmechanismus (molekulare Wiederherstellung) der ursprünglichen DNA-Nukleotidsequenz eliminiert werden.

Der Reparaturmechanismus basiert auf dem Vorhandensein zweier komplementärer Stränge im DNA-Molekül. Eine Verzerrung der Nukleotidsequenz in einem von ihnen wird durch spezifische Enzyme nachgewiesen. Dann wird die entsprechende Region entfernt und durch eine neue ersetzt, die auf dem zweiten komplementären DNA-Strang synthetisiert wurde. Eine solche Reparatur wird als exzisional bezeichnet, d.h. mit "Schneiden" (Abb. 15). Es wird vor dem nächsten Replikationszyklus durchgeführt, daher wird es auch als präreplizierend bezeichnet.

Abb. 14. Diagramm des Korrekturverfahrens für die DNA-Synthese:

I-Einschluss in die DNA-Kette eines Nukleotids mit einer veränderten (tautomeren) Form von Cytoein, das sich "illegal" mit Adenin paart; II - der schnelle Übergang von Cytosin in seine normale Form unterbricht seine Paarung mit Adenin; das ungepaarte 3"-OH-Ende der synthetisierten Kette verhindert deren weitere Verlängerung unter Einwirkung der DNA-Polymerase; III - DNA-Polymerase entfernt das illegale Nukleotid, wodurch das mit der Matrize gepaarte 3"-OH-Ende wieder erscheint; IV – DNA-Polymerase baut die Kette am 3'-OH-Ende weiter auf.

Die Wiederherstellung der ursprünglichen DNA-Struktur erfordert die Beteiligung einer Reihe von Enzymen. Ein wichtiger Punkt beim Starten des Reparaturmechanismus ist die Erkennung eines Fehlers in der DNA-Struktur. Häufig treten solche Fehler in einer neu synthetisierten Kette während der Replikation auf. Die Reparaturenzyme müssen genau diese Kette erkennen. Bei vielen Arten lebender Organismen unterscheidet sich der neu synthetisierte DNA-Strang vom mütterlichen Methylierungsgrad seiner stickstoffhaltigen Basen, der hinter der Synthese zurückbleibt. In diesem Fall wird die unmethylierte Kette repariert. Die Brüche in der DNA-Kette können auch als Erkennungsobjekt durch die Reparaturenzyme dienen. Bei höheren Organismen, bei denen die DNA-Synthese nicht kontinuierlich, sondern durch einzelne Replikons erfolgt, weist der neu synthetisierte DNA-Strang Brüche auf, die es ermöglichen, ihn zu erkennen. Die Wiederherstellung der DNA-Struktur mit Verlust von Purinbasen in einer ihrer Ketten beinhaltet den Nachweis eines Defekts unter Verwendung des Enzyms Endonuklease, das die Phosphoesterbindung an der Stelle der Kettenschädigung bricht. Anschließend wird die veränderte Region mit mehreren benachbarten Nukleotiden durch das Enzym Exonuklease entfernt und an ihrer Stelle entsprechend der Basenreihenfolge des Komplementärstrangs die richtige Nukleotidsequenz gebildet (Fig. 15).

Abb. 15. Schema der exzisiven, präreplikativen DNA-Reparatur.

Wenn eine der Basen in der DNA-Kette verändert wird, sind etwa 20 DNA-Glykosylase-Enzyme an der Wiederherstellung der ursprünglichen Struktur beteiligt und erkennen gezielt Schäden durch Desaminierung, Alkylierung und andere strukturelle Umwandlungen von Basen. Solche modifizierten Basen werden entfernt. Basenlose Bereiche treten auf, die repariert werden, wie beim Verlust von Purinen. Wenn die Wiederherstellung der normalen Struktur nicht durchgeführt wird, beispielsweise bei der Desaminierung von stickstoffhaltigen Basen, werden einige Paare komplementärer Basen durch andere ersetzt - das C-G-Paar kann durch das T-A-Paar ersetzt werden usw. ...

Die Bildung von Thymin-Dimeren (T-T) in Polynukleotidketten unter dem Einfluss von UV-Strahlen erfordert die Beteiligung von Enzymen, die nicht einzelne veränderte Basen, sondern erweiterte Schäden der DNA-Struktur erkennen. Der Reparaturvorgang ist in diesem Fall auch mit der Entfernung der das Dimer tragenden Region und der Wiederherstellung der normalen Nukleotidsequenz durch Synthese auf dem komplementären DNA-Strang verbunden.

Falls das Exzisionsreparatursystem die in einem DNA-Strang entstandene Veränderung nicht korrigiert, wird diese Veränderung während der Replikation fixiert und wird Eigentum beider DNA-Stränge. Dies führt zum Austausch eines Paares komplementärer Nukleotide durch ein anderes oder zum Auftreten von Brüchen (Lücken) im neu synthetisierten Strang gegenüber den veränderten Regionen. Die Wiederherstellung der normalen DNA-Struktur kann in diesem Fall auch nach der Replikation erfolgen.

Die postreplikative Reparatur erfolgt durch Rekombination (Austausch von Fragmenten) zwischen zwei neu gebildeten DNA-Doppelhelices. Ein Beispiel für eine solche post-replikative Reparatur ist die Wiederherstellung der normalen DNA-Struktur beim Auftreten von Thymin-Dimeren (T-T), wenn diese nicht spontan unter Einwirkung von sichtbarem Licht (Lichtreparatur) oder während der prä-replikativen Exzisionsreparatur eliminiert werden.

Kovalente Bindungen, die zwischen benachbarten Thyminresten entstehen, machen sie unfähig, an komplementäre Nukleotide zu binden. Infolgedessen treten im neu synthetisierten DNA-Strang Brüche (Lücken) auf, die von Reparaturenzymen erkannt werden. Die Wiederherstellung der Integrität der neuen Polynukleotidkette einer der Tochter-DNAs erfolgt durch Rekombination mit der entsprechenden normalen mütterlichen Kette der anderen Tochter-DNA. Die in der mütterlichen Kette gebildete Lücke wird dann durch Synthese an der dazu komplementären Polynukleotidkette gefüllt (Abb. 16). Der oft beobachtete Materialaustausch zwischen Schwesterchromatiden kann als Ausdruck einer solchen post-replikativen Reparatur angesehen werden, die durch Rekombination zwischen den Ketten zweier Tochter-DNA-Moleküle erfolgt (Abb. 17).

Abb. 16. Schema der post-replizierenden DNA-Reparatur:

I - das Auftreten eines Thymin-Dimers in einem der DNA-Stränge;

II - die Bildung einer "Lücke" in der neu synthetisierten Kette gegen den veränderten Teil des Muttermoleküls nach der Replikation (der Pfeil zeigt das anschließende Auffüllen der "Lücke" mit einem Teil aus der entsprechenden Kette des zweiten Tochter-DNA-Moleküls) ;

III - Wiederherstellung der Integrität der Tochterkette des oberen Moleküls durch Rekombination und im unteren Molekül durch Synthese an der Komplementärkette

Abb. 17. Interchromatidaustausch (durch Pfeile gekennzeichnet)

Während der prä- und post-replikativen Reparatur werden die meisten Schäden an der DNA-Struktur wiederhergestellt. Treten jedoch zu viele Schäden im Erbgut der Zelle auf und werden einige davon nicht beseitigt, wird das System der induzierten (stimulierten) Reparaturenzyme (SOS-System) aktiviert. Diese Enzyme füllen die Lücken und stellen die Integrität der synthetisierten Polynukleotidketten wieder her, ohne das Prinzip der Komplementarität einzuhalten. Deshalb können manchmal die Reparaturprozesse selbst als Quelle für dauerhafte Veränderungen der DNA-Struktur (Mutationen) dienen. Die genannte Reaktion bezieht sich auch auf das SOS-System.

Bleibt die Schädigung der DNA-Struktur in der Zelle trotz der durchgeführten Reparatur hoch, werden in ihr DNA-Replikationsprozesse blockiert. Eine solche Zelle teilt sich nicht, was bedeutet, dass sie die entstandenen Veränderungen nicht an die Nachkommen weitergibt.

Der durch DNA-Schäden verursachte Stillstand des Zellzyklus, verbunden mit der Unmöglichkeit einer molekularen Reparatur des veränderten Erbmaterials unter Beteiligung eines Proteins, dessen Synthese durch das p53-Gen kontrolliert wird, kann zur Aktivierung des Selbstzerstörungsprozesses führen (Apotose) einer defekten Zelle, um sie aus dem Körper zu eliminieren.

So führen verschiedenste Reparaturenzyme eine kontinuierliche „Inspektion“ der DNA durch, entfernen beschädigte Bereiche daraus und tragen zur Erhaltung der Stabilität des Erbgutes bei. Die kombinierte Wirkung von Replikationsenzymen (DNA-Polymerase und editierende Endonuklease) und Reparaturenzymen sorgt für eine relativ niedrige Fehlerrate in DNA-Molekülen, die auf einem Niveau von 1 · 10 -9 Paaren veränderter Nukleotide pro Genom gehalten wird. Bei der Größe des menschlichen Genoms von 3 · 10 9 Nukleotidpaaren bedeutet dies das Auftreten von etwa 3 Fehlern pro replizierendem Genom. Gleichzeitig reicht auch dieses Niveau aus, um während der Existenz des Lebens auf der Erde eine signifikante genetische Vielfalt in Form von Genmutationen auszubilden.

4.2.3 Veränderungen der DNA-Nukleotidsequenzen.

Unkorrigierte Veränderungen der chemischen Struktur von Genen, die sich in aufeinanderfolgenden Replikationszyklen reproduzieren und sich bei den Nachkommen in Form neuer Varianten von Merkmalen manifestieren, werden als Genmutationen bezeichnet.

Veränderungen in der Struktur der DNA, aus der ein Gen besteht, können in drei Gruppen eingeteilt werden. Mutationen der ersten Gruppe bestehen darin, dass einige Basen durch andere ersetzt werden. Sie machen etwa 20 % der spontan auftretenden Genveränderungen aus. Die zweite Gruppe von Mutationen wird durch eine Verschiebung des Leserasters verursacht, die auftritt, wenn sich die Anzahl der Nukleotidpaare in einem Gen ändert. Schließlich wird die dritte Gruppe durch Mutationen repräsentiert, die mit einer Änderung der Reihenfolge der Nukleotidsequenzen innerhalb eines Gens (Inversion) verbunden sind.

Mutationen durch die Art der Substitution von Stickstoffbasen. Diese Mutationen treten aus einer Reihe von spezifischen Gründen auf. Eine davon kann eine zufällige oder unter dem Einfluss bestimmter chemischer Mittel auftretende Veränderung der Struktur der Base sein, die bereits in der DNA-Helix enthalten ist. Bleibt eine solche veränderte Form der Base von den Reparaturenzymen unbemerkt, kann sie im nächsten Replikationszyklus ein weiteres Nukleotid an sich binden. Ein Beispiel ist die Desaminierung von Cytosin, das spontan oder unter Einfluss von salpetriger Säure in Uracil umgewandelt wird (Abb. 18). Das resultierende Uracil, das von dem Enzym DNA-Glykosylase nicht bemerkt wurde, verbindet sich während der Replikation mit Adenin, das anschließend das Thymidylnukleotid anlagert. Als Ergebnis wird das C-G-Paar in der DNA durch das T-A-Paar ersetzt (Abb. 19, I). Die Desaminierung von methyliertem Cytosin wandelt es in Thymin um (siehe Abbildung 3.18). Das Thymidylnukleotid als natürlicher Bestandteil der DNA wird von den Reparaturenzymen nicht als Veränderung erkannt und bindet bei der nächsten Replikation ein Adenylnukleotid an. Als Ergebnis erscheint anstelle des C-G-Paares auch das T-A-Paar im DNA-Molekül (Abb. 19, II).

Abb. 18. Spontane Desaminierung von Cytosin

Ein weiterer Grund für die Basensubstitution kann der irrtümliche Einschluss eines Nukleotids in den synthetisierten DNA-Strang sein, das eine chemisch veränderte Form der Base oder ihres Analogs trägt. Bleibt dieser Fehler von den Replikations- und Reparaturenzymen unbemerkt, wird die veränderte Base in den Replikationsvorgang einbezogen, was oft zum Austausch eines Paares durch ein anderes führt. Ein Beispiel hierfür ist die Anlagerung während der Replikation an das Adenin der Elternkette eines Nukleotids mit 5-Bromuracil (5-BU), das einem Thymidylnukleotid analog ist. Während der anschließenden Replikation bindet 5-BU leichter nicht Adenin, sondern Guanin. Guanin bildet im Zuge der weiteren Verdopplung ein Komplementärpaar mit Cytosin. Dadurch wird das AT-Paar im DNA-Molekül durch das G-C-Paar ersetzt (Abb. 20).

Reis. 19. Mutationen nach Art der Basensubstitution (Deaminierung stickstoffhaltiger Basen in der DNA-Kette):

I - Umwandlung von Cytosin in Uracil, Ersatz des C-G-Paares durch das T-A-Paar;

II - Umwandlung von Methyl-Cytosin in Thymin, Ersatz des C-G-Paares durch T-A-Paar

Aus den angegebenen Beispielen ist ersichtlich, dass Veränderungen in der Struktur des DNA-Moleküls durch die Art der Basensubstitution entweder vor oder während der Replikation, zunächst in einer Polynukleotidkette, auftreten. Wenn solche Veränderungen während der Reparatur nicht korrigiert werden, werden sie bei der anschließenden Replikation Eigentum beider DNA-Stränge.

Reis. 20. Mutationen nach Art der Basensubstitution (Einschluss eines Analogons einer stickstoffhaltigen Base während der DNA-Replikation)

Das Ergebnis des Austauschs eines Paars komplementärer Nukleotide durch ein anderes ist die Bildung eines neuen Tripletts in der Nukleotidsequenz der DNA, die für die Aminosäuresequenz in der Peptidkette kodiert. Dies kann die Struktur des Peptids nicht beeinflussen, wenn das neue Triplett "synonym" mit dem vorherigen ist, d.h. kodiert dieselbe Aminosäure. Zum Beispiel ist die Aminosäure Valin mit vier Tripletts verschlüsselt: CAA, TsAG, TsAT, TsAC. Das Ersetzen der dritten Base in einem dieser Tripletts ändert ihre Bedeutung nicht (Entartung des genetischen Codes).

Verschlüsselt das neu gebildete Triplett eine weitere Aminosäure, ändern sich die Struktur der Peptidkette und die Eigenschaften des entsprechenden Proteins. Je nach Art und Ort des Ersatzes ändern sich die spezifischen Eigenschaften des Proteins unterschiedlich stark. Es gibt Fälle, in denen der Austausch nur einer Aminosäure in einem Peptid die Eigenschaften des Proteins erheblich beeinflusst, was sich in einer Änderung komplexerer Merkmale manifestiert. Ein Beispiel ist die Veränderung der Eigenschaften des menschlichen Hämoglobins bei der Sichelzellenanämie (Abb. 21). Bei solchem ​​Hämoglobin- (HbS) (im Gegensatz zu normalem HbA) - in p-Globin-Ketten in der sechsten Position wird Glutaminsäure durch Valin ersetzt. Dies ist auf die Substitution einer der Basen im Triplett zurückzuführen, die für Glutaminsäure (CTT oder CTC) kodiert. Als Ergebnis erscheint ein Triplett, das Valin (CAT oder CAC) verschlüsselt. In diesem Fall verändert der Austausch einer Aminosäure im Peptid die Eigenschaften von Globin, das Teil des Hämoglobins ist, signifikant (seine Fähigkeit, an 02 zu binden, nimmt ab) und die Person entwickelt Anzeichen einer Sichelzellenanämie.

In einigen Fällen kann das Ersetzen einer Base durch eine andere zum Auftreten eines der Nonsense-Tripletts (ATT, ATC, ACT) führen, das keine Aminosäure verschlüsselt. Die Folge eines solchen Austauschs wird die Unterbrechung der Synthese der Peptidkette sein. Es wird berechnet, dass Substitutionen von Nukleotiden in einem Triplett in 25% der Fälle zur Bildung von Triplett-Synonymen führen; in 2-3 - bedeutungslosen Drillingen, in 70 - 75% - zur Entstehung echter Genmutationen.

So können Basensubstitutionsmutationen sowohl durch spontane Veränderungen der Basenstruktur in einem der Stränge einer bestehenden Doppelhelix der DNA als auch während der Replikation in einem neu synthetisierten Strang entstehen. Falls diese Änderungen während des Reparaturprozesses nicht korrigiert werden (oder umgekehrt während des Reparaturprozesses auftreten), werden sie in beiden Ketten fixiert und dann in den nächsten Replikationszyklen reproduziert. Folglich sind beeinträchtigte Replikations- und Reparaturprozesse eine wichtige Quelle für solche Mutationen.

Frameshift-Mutationen. Diese Art von Mutation macht einen erheblichen Anteil der spontanen Mutationen aus. Sie treten aufgrund des Verlustes oder der Insertion eines oder mehrerer Paare komplementärer Nukleotide in die DNA-Nukleotidsequenz auf. Die meisten der untersuchten Mutationen, die Leserasterverschiebungen verursachen, wurden in Sequenzen gefunden, die aus den gleichen Nukleotiden bestehen.

Veränderungen in der Anzahl der Nukleotidpaare in der DNA-Kette werden durch die Einwirkung bestimmter Chemikalien auf das genetische Material, beispielsweise Acridinverbindungen, erleichtert. Durch Deformation der Struktur der DNA-Doppelhelix führen sie zum Einbau zusätzlicher Basen oder zu deren Verlust bei der Replikation. Ein Beispiel sind die Mutationen, die im T4-Phagen erhalten werden, wenn er Proflavin ausgesetzt wird. Sie bestehen in der Aufnahme oder Entfernung von nur einem Nukleotidpaar. Ein wichtiger Grund für die Veränderung der Zahl der Nukleotidpaare in einem Gen je nach Art der großen Teilungen (Aussetzer) kann die Röntgenbestrahlung sein. Bei einer Fruchtfliege zum Beispiel gibt es eine bekannte Mutation im Gen für die Kontrolle der Augenfarbe, die durch Strahlung verursacht wird und aus einer Aufteilung von etwa 100 Basenpaaren besteht.

Abb. 21. Pleiotrope Wirkung der Substitution einer Aminosäure in der β-Kette des menschlichen Hämoglobins, die zur Entwicklung einer Sichelzellenanämie führt

Eine große Anzahl von Mutationen vom Insertionstyp tritt aufgrund des Einschlusses beweglicher genetischer Elemente – Transposons – in die Nukleotidsequenz auf. Transposons sind ziemlich ausgedehnte Nukleotidsequenzen, die in das Genom von eu- und prokaryotischen Zellen eingebaut sind und ihre Position spontan ändern können. Durch Rekombinationsfehler mit ungleichem intragenem Crossover können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Insertionen und Teilungen auftreten (Abb. 22).

Abb. 22. Frameshift-Mutationen (ungleicher Austausch beim intragenen Crossing Over):

I - Brüche allelischer Gene in verschiedenen Regionen und Austausch von Fragmenten zwischen ihnen;

II - Verlust des 3. und 4. Nukleotidpaares, Verschiebung des Leserahmens;

III - Verdoppelung des 3. und 4. Basenpaares, Verschiebung des Leserasters

Abb. 23. Die Folge einer Änderung der Anzahl der Nukleotidpaare in einem DNA-Molekül

Eine Verschiebung des Leserasters durch die Insertion eines Nukleotids in die kodogene Kette führt zu einer Veränderung der Zusammensetzung des darin kodierten Peptids.

Bei kontinuierlichem Lesen und Nichtüberlappen des genetischen Codes führt eine Änderung der Nukleotidzahl in der Regel zu einer Verschiebung des Leserahmens und einer Änderung der Bedeutung der in einer bestimmten DNA-Sequenz aufgezeichneten biologischen Informationen (Abb. 23). Wenn jedoch die Anzahl der eingefügten oder verlorenen Nukleotide ein Vielfaches von drei ist, kann keine Rasterverschiebung auftreten, dies führt jedoch zum Einschluss zusätzlicher Aminosäuren oder zum Verlust eines Teils davon aus der Polypeptidkette. Eine mögliche Folge der Rasterverschiebung ist das Auftreten von Nonsensestripletts, die zur Synthese verkürzter Peptidketten führen.

Mutationen durch die Art der Inversion von Nukleotidsequenzen in einem Gen. Diese Art von Mutation tritt aufgrund einer 180°-Drehung der DNA-Region auf. Dem geht in der Regel die Bildung einer Schleife durch das DNA-Molekül voraus, innerhalb derer die Replikation in entgegengesetzter Richtung zur korrekten abläuft.

Innerhalb der invertierten Region wird das Lesen von Informationen gestört, wodurch sich die Aminosäuresequenz des Proteins ändert.

4.2.4 Elementare Variabilitätseinheiten Genmaterial. Mouton. Aufklärung

Das Gen ist die elementare Funktionseinheit des Erbgutes. Dies bedeutet, dass ein Fragment eines DNA-Moleküls, das einem einzelnen Gen entspricht und dank der darin enthaltenen biologischen Informationen die Möglichkeit der Entwicklung eines bestimmten Merkmals bestimmt, weiterhin funktionell unteilbar ist. Die oben skizzierten Informationen zu Genmutationen weisen auf die Bedeutung von Veränderungen der chemischen Struktur hin, die nicht das gesamte Gen, sondern einzelne Abschnitte betreffen, wodurch neue Varianten des Merkmals entstehen.

Die minimale Menge an Erbmaterial, die durch Veränderung zum Auftreten von Varianten eines Merkmals führen kann, entspricht einer elementaren Einheit des Mutationsprozesses und wird als Muton bezeichnet. Die oben betrachteten Beispiele für Genmutationen zeigen, dass es ausreicht, ein Paar komplementärer Basen in einem Gen zu ersetzen, um die Eigenschaften des von ihm kodierten Proteins zu ändern. Somit entspricht ein Muton einem Paar komplementärer Nukleotide.

Einige Genmutationen der Art der Insertion und des Verlustes von Nukleotidpaaren treten aufgrund eines ungleichen Austauschs zwischen DNA-Molekülen während des Crossing-Over, d.h. bei Verletzung der Rekombination zwischen ihnen. Dies geht mit einer Verschiebung des Leserasters einher und führt zu einer Unterbrechung der Synthese der Peptidkette mit den gewünschten Eigenschaften. Beobachtungen zeigen, dass es ausreicht, um die im Gen aufgezeichneten biologischen Informationen zu verfälschen, ein Nukleotidpaar einzufügen oder fallen zu lassen. Aus dem Gesagten folgt, dass die elementare Rekombinationseinheit – Rekon – auf molekularer Ebene einem Nukleotidpaar entspricht.

Spontan oder unter dem Einfluss verschiedener äußerer Einflüsse auftretende Veränderungen von Nukleotidsequenzen führen dazu, dass das gleiche Gen in mehreren Varianten existieren kann, die sich in der darin enthaltenen biologischen Information unterscheiden. Die spezifische Form der Existenz eines Gens, die die Möglichkeit bestimmt, eine bestimmte Variante eines bestimmten Merkmals zu entwickeln, wird als Allel bezeichnet. Allele eines Gens befinden sich im gleichen Region-Locus eines spezifischen Chromosoms, das normalerweise nur eines einer Reihe von Allelen gleichzeitig enthalten kann. Dies macht die Allele zu alternativen (sich gegenseitig ausschließenden) Varianten der Existenz des Gens.

Veränderungen der chemischen Struktur können in verschiedenen Teilen des Gens auftreten. Wenn sie mit dem Leben vereinbar sind, d.h. nicht zum Absterben von Zellen oder Organismen führen - Träger dieser Mutationen sind alle im Genpool der Art gespeichert.

Das gleichzeitige Vorhandensein verschiedener Allele eines Gens im Genpool einer Art wird als multipler Allelismus bezeichnet. Ein Beispiel hierfür sind die unterschiedlichen Farboptionen für die Augen einer Fruchtfliege: Weiß, Kirsche, Rot, Aprikose, Eosin, - aufgrund unterschiedlicher Allele des entsprechenden Gens. Beim Menschen, wie bei anderen Vertretern der organischen Welt, ist multipler Allelismus in vielen Genen inhärent. Drei Allele des Gens I bestimmen also die Blutgruppe nach dem AB0-System (I A, I B, I 0). Zwei Allele haben ein Gen, das die Rh-Zugehörigkeit bestimmt. Mehr als hundert Allele umfassen die Gene von α- und β-Hämoglobin-Polypeptiden.

Die Ursache des multiplen Allelismus sind zufällige Veränderungen in der Struktur des Gens (Mutationen), die im Prozess der natürlichen Selektion im Genpool der Bevölkerung erhalten bleiben. Die Vielfalt der Allele, die während der sexuellen Fortpflanzung rekombinieren, bestimmt den Grad der genotypischen Vielfalt unter den Vertretern einer bestimmten Art, der von großer evolutionärer Bedeutung ist und die Lebensfähigkeit von Populationen unter den sich ändernden Bedingungen ihrer Existenz erhöht. Neben der evolutionären und ökologischen Bedeutung hat der allelische Zustand von Genen einen großen Einfluss auf die Funktion des Erbguts. In diploiden Körperzellen eukaryontischer Organismen werden die meisten Gene durch zwei Allele repräsentiert, die zusammen die Bildung von Merkmalen beeinflussen.

4.2.5 Funktionelle Klassifizierung von Genmutationen

Veränderungen in der Struktur eines Gens sind in der Regel ungünstig, verringern die Lebensfähigkeit einer Zelle, eines Organismus (schädliche Mutationen) und führen manchmal zu deren Tod (tödliche Mutationen). Weniger häufige Mutationen beeinträchtigen die Lebensfähigkeit ihrer Träger nicht wesentlich, daher gelten sie als neutral. Schließlich treten äußerst selten Allele auf, die eine positive Wirkung haben (nützliche Mutationen), die ihren Trägern ein bevorzugtes Überleben ermöglichen. In den meisten Fällen wirkt das neu entstandene Allel des Gens rezessiv gegenüber dem natürlich weit verbreiteten "Wildtyp"-Allel, d.h. erscheint nicht in Kombination damit. Aber manchmal kann die mutierte Form eines Gens dominant sein, d.h. unterdrücken die Manifestation des "wilden" Allels, das im Genpool der Bevölkerung häufiger vorkommt.

4.2.6 Mechanismen zur Minderung von Nebenwirkungen Genmutationen

Durch Genmutationen verändert sich die Bedeutung biologischer Informationen. Die Folgen davon können zweierlei sein. In Lebensräumen, die sich leicht ändern, verringern neue Informationen normalerweise das Überleben. Bei einer starken Veränderung der Lebensbedingungen, bei der Entwicklung einer neuen ökologischen Nische, ist die Verfügbarkeit einer Vielzahl von Informationen nützlich. In dieser Hinsicht ist die Intensität des Mutationsprozesses in natürliche Bedingungen auf einem Niveau gehalten werden, das keine katastrophale Abnahme der Lebensfähigkeit der Art verursacht. Eine wichtige Rolle bei der Begrenzung der negativen Auswirkungen von Mutationen spielen Anti-Mutationsmechanismen, die in der Evolution entstanden sind.

Einige dieser Mechanismen wurden oben diskutiert. Wir sprechen über die Funktionen der DNA-Polymerase, die die erforderlichen Nukleotide während der DNA-Replikation auswählt und auch während der Bildung eines neuen DNA-Strangs zusammen mit der Editierung der Endonuklease eine Selbstkorrektur durchführt. Verschiedene Mechanismen der DNA-Strukturreparatur, die Rolle der Degeneration des genetischen Codes werden detailliert analysiert. Die Lösung für dieses Problem ist die Triplettheit des biologischen Codes, die die minimale Anzahl von Substitutionen innerhalb des Tripletts ermöglicht, was zu Informationsverzerrungen führt. Somit ändern 64% der Substitutionen des dritten Nukleotids in Tripletts ihre Bedeutung nicht. Zwar führen 100%ige Substitutionen des zweiten Nukleotids zu einer Verzerrung der Bedeutung des Tripletts.

Die Chromosomenpaarung im diploiden Karyotyp eukaryontischer Körperzellen dient als Schutzfaktor gegen die negativen Auswirkungen von Genmutationen.

Die gepaarten Allele von Genen verhindern die phänotypische Manifestation von Mutationen, wenn sie rezessiv sind.

Einen gewissen Beitrag zur Verringerung der schädlichen Auswirkungen von Genmutationen leistet das Phänomen der Extrakopie von Genen, die für lebenswichtige Makromoleküle kodieren. Es besteht im Vorhandensein von mehreren Dutzend und manchmal Hunderten identischer Kopien solcher Gene im Genotyp. Ein Beispiel sind die Gene von rRNA, tRNA, Histonproteinen, ohne die die lebenswichtige Aktivität einer Zelle unmöglich ist.

Bei Vorliegen von Extrakopien führt eine Mutationsänderung in einem oder sogar mehreren identischen Genen nicht zu katastrophalen Folgen für die Zelle. Die unverändert verbleibenden Kopien reichen aus, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten.

Die funktionelle Ungleichheit der Aminosäuresubstitutionen im Polypeptid ist ebenfalls wesentlich. Wenn die neuen und ersetzten Aminosäuren ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, sind Änderungen der Tertiärstruktur und der biologischen Eigenschaften des Proteins unbedeutend.

Somit unterscheiden sich die mutierten menschlichen Hämoglobine HbS und HbC von normalem Hämoglobin HbA durch die Substitution von Valin bzw. Lysin in der 6. Position der p-Kette von Glutaminsäure. Der erste Ersatz verändert die Eigenschaften von Hämoglobin dramatisch und führt zur Entwicklung einer schweren Krankheit - der Sichelzellenanämie.

Bei der zweiten Substitution ändern sich die Eigenschaften des Hämoglobins in viel geringerem Maße.

Der Grund für diese Unterschiede ist, dass Glutaminsäure und Lysin ähnliche hydrophile Eigenschaften aufweisen, während Valin eine hydrophobe Aminosäure ist.

Somit tragen die aufgeführten Mechanismen zur Erhaltung der während der Evolution selektierten Gene und gleichzeitig zur Akkumulation ihrer verschiedenen Allele im Genpool der Population bei, die eine Reserve der erblichen Variabilität bilden. Letzteres bestimmt die hohe evolutionäre Plastizität der Population, d.h. die Fähigkeit, unter verschiedenen Bedingungen zu überleben.

4.3 Nutzung genetischer Informationen in Lebensprozessen

4.3.1 Die Rolle der RNA bei der Umsetzung von Erbinformationen

Erbinformationen, die über den genetischen Code erfasst werden, werden in DNA-Molekülen gespeichert und vermehren sich, um neu gebildeten Zellen die notwendigen „Anweisungen“ für ihre normale Entwicklung und Funktion zu geben. Gleichzeitig ist die DNA nicht direkt an der Lebenserhaltung von Zellen beteiligt. Die Rolle eines Vermittlers, dessen Funktion es ist, die in der DNA gespeicherte Erbinformation in eine funktionierende Form zu übersetzen, spielen Ribonukleinsäuren - RNA.

Im Gegensatz zu DNA-Molekülen werden Ribonukleinsäuren durch eine Polynukleotidkette dargestellt, die aus vier Arten von Nukleotiden besteht, die Zucker, Ribose, Phosphat und eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten - Adenin, Guanin, Uracil oder Cytosin. RNA wird auf DNA-Molekülen unter Verwendung von RNA-Polymerase-Enzymen in Übereinstimmung mit dem Prinzip der Komplementarität und Antiparallelität synthetisiert, und Uracil ist komplementär zum DNA-Adenin in RNA. Die ganze Vielfalt der in der Zelle wirkenden RNAs kann in drei Haupttypen unterteilt werden: mRNA, tRNA, rRNA.

Matrix- oder Informations-RNA (mRNA oder mRNA). Transkription. Um Proteine ​​mit gewünschten Eigenschaften zu synthetisieren, wird an die Stelle ihrer Konstruktion eine "Anweisung" über die Reihenfolge des Einbaus von Aminosäuren in die Peptidkette gesendet. Diese Anweisung ist in der Nukleotidsequenz von Messenger oder Messenger-RNAs (mRNA, mRNA) eingeschlossen, die an den entsprechenden DNA-Stellen synthetisiert werden. Der Vorgang der mRNA-Synthese wird als Transkription bezeichnet.

Die Synthese von mRNA beginnt mit dem Nachweis einer speziellen Region im DNA-Molekül durch die RNA-Polymerase, die den Ort des Beginns der Transkription anzeigt - des Promotors. Nach Anheftung an den Promotor wickelt die RNA-Polymerase die benachbarte Windung der DNA-Helix ab. An dieser Stelle divergieren zwei DNA-Stränge, und an einem von ihnen synthetisiert das Enzym mRNA. Der Zusammenbau von Ribonukleotiden zu einer Kette erfolgt in Übereinstimmung mit ihrer Komplementarität zu DNA-Nukleotiden sowie antiparallel zur Matrizen-DNA-Kette. Da die RNA-Polymerase in der Lage ist, ein Polynukleotid nur vom 5"-Ende zum 3"-Ende aufzubauen, kann nur einer der beiden DNA-Stränge als Transkriptionsmatrize dienen, nämlich derjenige, der dem Enzym mit seiner 3 "Ende ( 3 "→ 5"). Diese Kette wird als kodogen bezeichnet (Abb. 3.24). Die antiparallele Verbindung zweier Polynukleotidketten in einem DNA-Molekül ermöglicht es der RNA-Polymerase, die richtige Matrize für die mRNA-Synthese auszuwählen.

Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang der kodogenen DNA-Kette und führt ein schrittweises genaues Umschreiben von Informationen durch, bis sie auf eine bestimmte Nukleotidsequenz – einen Transkriptionsterminator – trifft. In dieser Region wird die RNA-Polymerase sowohl von der DNA-Matrize als auch von der neu synthetisierten mRNA getrennt (Fig. 25). Ein Fragment eines DNA-Moleküls, einschließlich eines Promotors, einer transkribierten Sequenz und eines Terminators, bildet eine Transkriptionseinheit – ein Transkripton.

Bei der Synthese, während sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Moleküls bewegt, werden die an ihr vorbeigeführten einzelsträngigen DNA-Bereiche wieder zu einer Doppelhelix zusammengefasst. Die während der Transkription gebildete mRNA enthält eine exakte Kopie der im entsprechenden DNA-Abschnitt aufgezeichneten Informationen. Die Tripletts benachbarter mRNA-Nukleotide, die für Aminosäuren kodieren, werden als Codons bezeichnet. Die mRNA-Codonsequenz codiert die Aminosäuresequenz in der Peptidkette. Bestimmte Aminosäuren entsprechen mRNA-Codons (Tabelle 1).

Tabelle 1. Genetischer Code von mRNA (Codon-Terminatoren sind unterstrichen). Zweites Nukleotid

Verfügen über		C		EIN		g

Abb. 24. MRNA-Syntheseschema

Die Matrize für die mRNA-Transkription ist der dem Enzym zugewandte kodogene DNA-Strang mit seinen 3-Enden

Reis. 25. Die Rolle der RNA-Polymerase bei der Transkription:

I - Nachweis der Promotorregion im DNA-Molekül und Abwickeln der DNA-Helix; II – Initiation der RNA-Kettensynthese durch Verknüpfung der ersten beiden Ribonukleosidtriphosphate; III - Verlängerung der RNA-Kette in Richtung 5 "→ 3" durch Anlagerung von Ribonukleosidtriphosphaten; IV - Freisetzung des 5'-Endes der synthetisierten RNA und Wiederherstellung der DNA-Doppelhelix; V - Ende der RNA-Synthese im Terminatorbereich, Trennung der Polymerase vom fertigen RNA-Strang

Transport-RNA (tRNA). Übertragen. Transport-RNA (tRNA) spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Erbinformationen durch die Zelle. Durch die Lieferung der notwendigen Aminosäuren an die Montagestelle der Peptidketten fungiert tRNA als Translationsmediator.

TRNA-Moleküle sind Polynukleotidketten, die aus spezifischen DNA-Sequenzen synthetisiert werden. Sie bestehen aus einer relativ kleinen Anzahl von Nukleotiden - 75-95. Durch die komplementäre Verbindung von Basen in verschiedenen Teilen der tRNA-Polynukleotidkette erhält es eine kleeblattähnliche Struktur (Abb. 26).

Abb. 26. Die Struktur eines typischen tRNA-Moleküls

Es unterscheidet vier Hauptteile, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Der Akzeptor-„Stamm“ wird durch zwei verbundene komplementäre tRNA-Endteile gebildet. Es besteht aus sieben Basenpaaren. Das 3"-Ende dieses Stammes ist etwas länger und bildet einen einzelsträngigen Bereich, der mit einer CCA-Sequenz mit einer freien OH-Gruppe endet. An dieses Ende ist eine transportierte Aminosäure angehängt. Die anderen drei Äste sind komplementäre gepaarte Nukleotidsequenzen, die in ungepaart enden. Die Mitte dieser Äste – das Anticodon – besteht aus fünf Nukleotidpaaren und enthält ein Anticodon in der Mitte seiner Schleife Säure, die von dieser tRNA zum Ort der Peptidsynthese transportiert wird.

Zwischen Akzeptor- und Anticodon-Zweig befinden sich zwei Seitenzweige... In ihren Schleifen enthalten sie modifizierte Basen - Dihydrouridin (D-Schleife) und Triplett TψC, wobei y Pseudouriain ist (T ^ C-Schleife). Zwischen den Aiticodon- und T^C-Zweigen befindet sich eine zusätzliche Schleife, die 3-5 bis 13-21 Nukleotide umfasst.

Im Allgemeinen Verschiedene Arten tRNAs zeichnen sich durch eine gewisse Konstanz der Nukleotidsequenz aus, die meist aus 76 Nukleotiden besteht. Die Variation ihrer Zahl ist hauptsächlich mit einer Änderung der Zahl der Nukleotide in der zusätzlichen Schleife verbunden. Die komplementären Regionen, die die tRNA-Struktur unterstützen, sind normalerweise konserviert. Die Primärstruktur der tRNA, bestimmt durch die Nukleotidsequenz, bildet die Sekundärstruktur der tRNA, die in Form eines Kleeblattes vorliegt. Die Sekundärstruktur wiederum bestimmt eine dreidimensionale Tertiärstruktur, die durch die Bildung von zwei senkrecht stehenden Doppelhelices gekennzeichnet ist (Abb. 27). Einer von ihnen wird von den Akzeptor- und TψC-Zweigen gebildet, der andere - von den Anti-Codon- und D-Zweigen.

Die transportierte Aminosäure befindet sich am Ende einer der Doppelhelices, das Anticodon am Ende der anderen. Es stellt sich heraus, dass diese Bereiche so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Die Stabilität der Tertiärstruktur der tRNA wird durch das Auftreten zusätzlicher Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der Polynukleotidkette, die sich in verschiedenen Teilen davon befinden, aber räumlich nahe in der Tertiärstruktur.

Verschiedene Arten von tRNAs haben ähnliche Tertiärstrukturen, wenn auch mit einigen Variationen.

Abb. 27. Räumliche Organisation der tRNA:

I - Sekundärstruktur der tRNA in Form eines "Kleeblatts", bestimmt durch seine Primärstruktur (die Sequenz der Nukleotide in der Kette);

II - zweidimensionale Projektion der Tertiärstruktur von tRNA;

III - Schema der Faltung des tRNA-Moleküls im Raum

Eines der Merkmale der tRNA ist das Vorhandensein ungewöhnlicher Basen, die als Ergebnis einer chemischen Modifikation nach der Aufnahme einer normalen Base in die Polynukleotidkette entstehen. Diese veränderten Basen sind für die große strukturelle Vielfalt von tRNAs mit einem allgemeinen Strukturplan verantwortlich. Von größtem Interesse sind Modifikationen der Basen, die das Anticodon bilden, die die Spezifität seiner Wechselwirkung mit dem Codon beeinflussen. Beispielsweise kann die atypische Base Inosin, die sich manchmal an der 1. Position des tRNA-Anticodons befindet, komplementär an drei verschiedene dritte Basen des mRNA-Codons binden – Y, C und A (Abbildung 3.28). Da ein Merkmal des genetischen Codes seine Entartung ist (siehe Abschnitt 3.4.1.2), werden viele Aminosäuren von mehreren Codons kodiert, die sich in der Regel in ihrer dritten Base unterscheiden. Aufgrund der Unspezifität der Bindung der modifizierten Base des Anticodons erkennt eine tRNA mehrere Codon-Synonyme.

Abb. 28. Verbindung von Inosin durch Wasserstoffbrücken mit drei verschiedenen Stickstoffbasen Wasserstoffbrücken werden durch Punkte angezeigt

Es wurde auch festgestellt, dass es mehrere Arten von tRNA gibt, die an dasselbe Codon binden können. Infolgedessen finden sich im Zytoplasma von Zellen nicht 61 (nach Anzahl der Codons), sondern etwa 40 verschiedene tRNA-Moleküle. Diese Menge reicht aus, um 20 verschiedene Aminosäuren zur Protein-Montagestelle zu transportieren.

Zusammen mit der Funktion der präzisen Erkennung eines spezifischen Codons in der mRNA liefert das tRNA-Molekül an die Synthesestelle der Peptidkette einer streng definierten Aminosäure, die mit diesem Codon codiert wird. Die spezifische Kombination von tRNA mit „ihrer“ Aminosäure verläuft in zwei Stufen und führt zur Bildung einer Verbindung namens Aminoacyl-tRNA (Abb. 29).

Abb. 29. Anbindung einer Aminosäure an die entsprechende tRNA:

I - 1. Stufe, die Wechselwirkung der Aminosäure und ATP mit der Freisetzung von Pyrophosphat;

II - 2. Stufe, Anheftung einer adipylierten Aminosäure an das 3"-Ende der RNA

In der ersten Stufe wird die Aminosäure aktiviert, indem sie mit ihrer Carboxylgruppe mit ATP interagiert. Als Ergebnis wird eine adipylierte Aminosäure gebildet.

In der zweiten Stufe interagiert diese Verbindung mit der OH-Gruppe am 3'-Ende der entsprechenden tRNA, an die sich die Aminosäure mit ihrer Carboxylgruppe anlagert und dabei AMP freisetzt der bei der Hydrolyse von ATP zu AMP gewonnenen Energie ...

Die Spezifität der Verbindung aus Aminosäure und tRNA, die das entsprechende Anticodon trägt, wird durch die Eigenschaften des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase erreicht. Im Zytoplasma gibt es eine ganze Reihe solcher Enzyme, die einerseits ihre Aminosäure und andererseits das entsprechende Anticodon der tRNA räumlich erkennen können (Abbildung 3.30). Erbinformationen, die in DNA-Molekülen "aufgezeichnet" und auf mRNA "umgeschrieben" werden, werden während der Translation durch zwei Prozesse der spezifischen Erkennung molekularer Oberflächen entschlüsselt. Zunächst sorgt das Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase für die Verbindung der tRNA mit der von ihr transportierten Aminosäure. Die Aminoacyl-tRNA paart sich dann aufgrund der Wechselwirkung des Anticodons mit dem Codon komplementär mit der mRNA. Beim tRNA-System ist die Sprache die Nukleotidkette der mRNA. wird in die Sprache der Aminosäuresequenz des Peptids übersetzt (Abb. 30).

Ribosomale RNA (rRNA). Ribosomaler Zyklus der Proteinsynthese. Der Interaktionsprozess zwischen mRNA und tRNA, der die Übersetzung von Informationen aus der Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren ermöglicht, wird an Ribosomen durchgeführt. Letztere sind komplexe Komplexe aus rRNA und verschiedenen Proteinen, in denen erstere ein Gerüst bilden. Ribosomale RNAs sind nicht nur struktureller Bestandteil von Ribosomen, sondern sorgen auch für deren Bindung an eine spezifische Nukleotidsequenz der mRNA. Dies legt den Start- und Leserahmen für die Bildung der Peptidkette fest. Darüber hinaus sorgen sie für die Interaktion zwischen dem Ribosom und der tRNA. Zahlreiche Proteine, aus denen Ribosomen bestehen, spielen zusammen mit rRNA sowohl strukturelle als auch enzymatische Rollen.

Abb. 30. Schema der Translation des genetischen Codes: I - Bindung einer Aminosäure (Tryptophan) an die entsprechende tRNA unter Verwendung des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase; II - Anheftung von tRNA, die ihre Aminosäure trägt, an mRNA aufgrund der Bindung ihres Anticodons an das mRNA-Codon

Ribosomen von Pro- und Eukaryoten sind in Struktur und Funktion sehr ähnlich. Sie bestehen aus zwei Unterteilchen: groß und klein. In Eukaryoten wird eine kleine Untereinheit aus einem rRNA-Molekül und 33 Molekülen verschiedener Proteine ​​gebildet. Die große Untereinheit vereint drei rRNA-Moleküle und etwa 40 Proteine. Prokaryontische Ribosomen und Ribosomen von Mitochondrien und Plastiden enthalten weniger Komponenten.

Ribosomen haben zwei Rillen. Einer von ihnen hält die wachsende Polypeptidkette, der andere - mRNA. Darüber hinaus enthalten Ribosomen zwei Regionen, die tRNA binden. In der Aminoacyl-A-Stelle befindet sich die Aminoacyl-tRNA, die eine bestimmte Aminosäure trägt. Im Peptidyl ist die P-Stelle normalerweise tRNA, die mit einer Kette von Aminosäuren beladen ist, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Die Bildung von A- und P-Stellen wird von beiden Untereinheiten des Ribosoms bereitgestellt.

Zu jedem Zeitpunkt durchsucht das Ribosom ein mRNA-Segment mit einer Länge von etwa 30 Nukleotiden. Dies gewährleistet die Interaktion von nur zwei tRNAs mit zwei benachbarten mRNA-Codons (Abb. 31).

Die Übersetzung der Information in die „Sprache“ der Aminosäuren drückt sich im allmählichen Aufbau der Peptidkette gemäß den in der mRNA enthaltenen Anweisungen aus. Dieser Prozess findet an Ribosomen statt, die eine Sequenz zum Entschlüsseln von Informationen mithilfe von tRNA bereitstellen. Während der Translation können drei Phasen unterschieden werden: Initiation, Elongation und Termination der Peptidkettensynthese.

Abb. 31. Bindungsstellen von tRNA-Molekülen und Ribosomen:

I – unbeladenes Ribosom, II – beladenes Ribosom; ak - Aminosäure

Die Initiationsphase oder der Beginn der Peptidsynthese besteht darin, zwei zuvor getrennte Ribosomen-Subpartikel im Zytoplasma an einer bestimmten mRNA-Stelle zu kombinieren und die erste Aminoacyl-tRNA daran anzuhängen. Damit wird auch der Leserahmen für die in der mRNA enthaltenen Informationen gesetzt (Abb. 32).

Im Molekül jeder mRNA befindet sich in der Nähe ihres 5'-Endes eine zur rRNA der kleinen Untereinheit des Ribosoms komplementäre Region, die von dieser spezifisch erkannt wird. Daneben befindet sich das Initiationsstartcodon OUT, das die Aminosäure kodiert Methionin.Die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet so an die mRNA, dass das Startcodon OUT in der derP-Stelle entsprechenden Region liegt.Außerdem kann im unfertigen P . nur die Initiator-tRNA mit Methionin stattfinden -Stelle der kleinen Untereinheit und verbinden sich komplementär mit den Startcodon-Stellen (Abbildung 3.32).

Abb. 32. Initiierung der Proteinsynthese:

I - Verbindung einer kleinen Teilmenge des Ribosoms mit mRNA, Anheftung an das Startcodon der Methionin-tragenden tRNA, das sich in der unfertigen P-Stelle befindet; II - Verbindung von großen und kleinen Ribosomen-Untereinheiten mit der Bildung von P - und A-Stellen; die nächste Stufe ist mit der Platzierung der Aminoacyl-tRNA an der A-Stelle verbunden, die dem darin befindlichen mRNA-Codon entspricht, - der Beginn der Elongation; ak - Aminosäure

Am Ende der Initiationsphase ist die P-Stelle von der mit Methionin assoziierten Aminoacyl-tRNA besetzt, während sich in der A-Stelle des Ribosoms das nächste Startcodon befindet.

Die beschriebenen Prozesse der Translationsinitiation werden durch spezielle Proteine ​​katalysiert – Initiationsfaktoren, die mobil mit einer kleinen Untereinheit des Ribosoms assoziiert sind. Nach Abschluss der Initiationsphase und der Bildung des Ribosom-mRNA-initiierenden Aminoacyl-tRNA-Komplexes werden diese Faktoren vom Ribosom getrennt.

Die Phase der Elongation oder Verlängerung eines Peptids umfasst alle Reaktionen vom Moment der Bildung der ersten Peptidbindung bis zur Anlagerung der letzten Aminosäure. Es stellt zyklisch wiederkehrende Ereignisse dar, bei denen eine spezifische Erkennung der Aminoacyl-tRNA des nächsten Codons in der A-Stelle stattfindet, eine komplementäre Interaktion zwischen dem Anticodon und dem Codon.

Aufgrund der Besonderheiten der dreidimensionalen Organisation der tRNA bei der Verbindung ihres Anticodons mit dem mRNA-Codon. die von ihm transportierte Aminosäure befindet sich in der A-Stelle, nahe der zuvor eingebauten Aminosäure, die sich in der P-Stelle befindet. Zwischen den beiden Aminosäuren entsteht eine Peptidbindung, katalysiert durch spezielle Proteine, aus denen das Ribosom besteht. Dadurch verliert die bisherige Aminosäure ihre Bindung an ihre tRNA und reiht sich an die in der A-Stelle befindliche Aminoacyl-tRNA an. Die zu diesem Zeitpunkt an der P-Stelle befindliche tRNA wird freigesetzt und gelangt ins Zytoplasma (Abb. 33). Die Bewegung einer mit einer Peptidkette beladenen tRNA von der A-Stelle zur P-Stelle wird von der Fortbewegung des Ribosoms entlang der mRNA um einen Schritt begleitet, der einem Codon entspricht. Nun kommt das nächste Codon in Kontakt mit der A-Stelle, wo es von der entsprechenden Aminoacyl-tRNA spezifisch „erkannt“ wird, die hier seine Aminosäure platziert. Diese Abfolge von Ereignissen wird wiederholt, bis ein Terminator-Codon, für das es keine entsprechende tRNA gibt, in der A-Region des Ribosoms ankommt.

Abb. 33. Elongationsphase in der Proteinsynthese:

1. Stufe – Aminoacyl-tRNA wird an ein Codon an der A-Stelle angehängt;

2. Stufe - eine Peptidbindung wird zwischen den Aminosäuren der A- und P-Stelle gebildet: tRNA, die sich in der P-Stelle befindet, wird von ihrer Aminosäure freigesetzt und verlässt das Ribosom;

3. Stufe - das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA um ein Codon, so dass die mit der Peptidkette beladene tRNA von der A-Stelle zur P-Stelle gelangt; die freie A-Stelle kann von der entsprechenden Aminoacyl-tRNA . besetzt werden

Abb. 34. Beendigung der Peptidkettensynthese:

1. Stufe - Anheftung des Freisetzungsfaktors an das Stoppcodon;

2. Stufe - Termination, Freisetzung des fertigen Peptids;

3. Stufe - Dissoziation des Ribosoms in zwei Untereinheiten

Der Aufbau der Peptidkette erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur mit ziemlich hoher Geschwindigkeit. In Bakterien bei 37 °C wird es in der Addition von 12 bis 17 Aminosäuren pro Sekunde zum Subipeptid exprimiert. In eukaryontischen Zellen ist diese Rate geringer und drückt sich in der Zugabe von zwei Aminosäuren pro Sekunde aus.

Die Terminationsphase oder der Abschluss der Polypeptidsynthese ist mit der Erkennung eines der Terminationscodons (UAA, UAH oder UHA) durch ein spezifisches ribosomales Protein verbunden, wenn es in die Zone der A-Region des Ribosoms eintritt. Dabei wird Wasser an die letzte Aminosäure in der Peptidkette angeheftet und ihr Carboxylende von der tRNA getrennt. Dadurch verliert die fertige Peptidkette ihre Bindung an das Ribosom, das sich in zwei Teilpartikel aufspaltet (Abb. 34).

4.3.2 Organisations- und Ausdrucksmerkmale genetische Information bei Pro- und Eukaryoten

Hinsichtlich der chemischen Organisation des Vererbungs- und Variabilitätsmaterials unterscheiden sich eukaryontische und prokaryontische Zellen nicht grundsätzlich voneinander. Ihr genetisches Material wird durch DNA repräsentiert. Ihnen gemeinsam ist das Prinzip der Erfassung genetischer Informationen sowie des genetischen Codes. In Pro- und Eukaryoten sind die gleichen Aminosäuren mit den gleichen Codons verschlüsselt. Die Nutzung der in der DNA gespeicherten Erbinformationen erfolgt bei diesen Zelltypen grundsätzlich auf die gleiche Weise. Es wird zunächst in die Nukleotidsequenz des mRNA-Moleküls transkribiert und dann unter Beteiligung von tRNA in die Aminosäuresequenz des Peptids auf Ribosomen übersetzt. Einige Merkmale der Organisation des Erbguts, die eukaryontische von prokaryontischen Zellen unterscheiden, bestimmen jedoch die Unterschiede in der Verwendung ihrer genetischen Informationen.

Das Erbmaterial einer prokaryontischen Zelle ist hauptsächlich in einem einzigen ringförmigen DNA-Molekül enthalten. Es befindet sich direkt im Zytoplasma der Zelle, wo sich auch tRNA und für die Genexpression notwendige Enzyme befinden, die teilweise in Ribosomen enthalten sind. Prokaryontische Gene bestehen ausschließlich aus kodierenden Nukleotidsequenzen, die während der Synthese von Proteinen, tRNA oder rRNA realisiert werden.

Das Erbgut von Eukaryoten ist voluminöser als das von Prokaryoten. Es befindet sich hauptsächlich in speziellen Kernstrukturen - Chromosomen, die durch die Kernhülle vom Zytoplasma getrennt sind. Der für die Synthese von Proteinen notwendige Apparat, bestehend aus Ribosomen, tRNA, einer Reihe von Aminosäuren und Enzymen, befindet sich im Zytoplasma der Zelle.

Es gibt signifikante Unterschiede in der molekularen Organisation der Gene einer eukaryontischen Zelle. In den meisten von ihnen werden Exon-kodierende Sequenzen durch Intron-Regionen unterbrochen, die nicht bei der Synthese von tRNA, rRNA oder Peptiden verwendet werden. Die Anzahl solcher Stellen variiert in verschiedenen Genen. Es wurde festgestellt, dass das Hühnerovalbumin-Gen 7 Introns enthält und das Säugetier-Prokollagen-Gen - 50. Diese Regionen werden aus der primären transkribierten RNA entfernt und daher ist die Verwendung der genetischen Information in einer eukaryotischen Zelle etwas anders. In einer prokaryontischen Zelle, in der das Erbmaterial und der Proteinbiosyntheseapparat nicht räumlich getrennt sind, finden Transkription und Translation fast gleichzeitig statt. In einer eukaryontischen Zelle sind diese beiden Stadien nicht nur durch die Kernhülle räumlich getrennt, sondern zeitlich durch die Reifung der mRNA, aus der nicht aussagekräftige Sequenzen entfernt werden müssen (Abb. 35).

Reis. 35. Verallgemeinertes Schema des Expressionsprozesses genetischer Information in einer eukaryontischen Zelle

Neben den aufgezeigten Unterschieden lassen sich in jedem Stadium der Expression der genetischen Information einige Besonderheiten des Ablaufs dieser Prozesse bei Pro- und Eukaryoten feststellen.

Transkription in Pro- und Eukaryoten. Transkription ist die Synthese von RNA auf einer DNA-Matrize. In Prokaryoten wird die Synthese aller drei RNA-Typen durch einen komplexen Proteinkomplex katalysiert – die RNA-Polymerase.

Der Transkriptionsapparat eukaryontischer Zellen umfasst drei nukleäre RNA-Polymerasen sowie RNA-Polymerasen von Mitochondrien und Plastiden. RNA-Polymerase I kommt in den Nukleolen von Zellen vor und ist für die Transkription von rRNA-Genen verantwortlich. Die RNA-Polymerase II ist im Kernsaft lokalisiert und für die Synthese des mRNA-Vorläufers verantwortlich. RNA-Polymerase III ist eine kleine Fraktion, die im Kernsaft vorkommt und die Synthese kleiner rRNA und tRNA durchführt. Jedes dieser Enzyme hat zwei große Untereinheiten und bis zu 10 kleine. RNA-Polymerasen von Mitochondrien und Plastiden unterscheiden sich von nuklearen.

Der RNA-Polymerase-Enzymkomplex erkennt spezifisch eine bestimmte Nukleotidsequenz (oft mehr als eine), die sich in einer bestimmten Entfernung vom Ausgangspunkt der Transkription befindet - einen Promotor. Ausgangspunkt ist das DNA-Nukleotid, das dem ersten Nukleotid entspricht, das das Enzym in das RNA-Transkript einschließt.

Bei Prokaryoten befindet sich eine Sequenz von sechs Nukleotiden, TATAAT, genannt Pribnov-Block, normalerweise nicht weit vom Startpunkt stromaufwärts der Transkription. Dies ist die durchschnittliche Sequenz, bestehend aus den häufigsten Basen, von denen die konservativste die 1,2 und die 6. Base sind. Das Vorhandensein in dieser Sequenz von Basen, die überwiegend durch doppelte Wasserstoffbrücken mit komplementären Basen des anderen Strangs verknüpft sind, erleichtert offensichtlich das lokale Schmelzen der DNA-Doppelhelix und die Bildung ihrer beiden einzelsträngigen Regionen bei Kontakt mit RNA-Polymerase. Der Pribnov-Block befindet sich in der Position von - 11 bis - 5 oder von - 14 bis - 8, d.h. einige Nukleotide vor dem Startpunkt der Transkription (Abb. 36). Beim Nachweis dieser Sequenz bindet die RNA-Polymerase fest daran und beginnt mit der RNA-Synthese. Eine ebenso wichtige Rolle bei der Herstellung des Kontakts der RNA-Polymerase mit DNA spielt eine andere Nukleotidsequenz, deren Zentrum sich an Position 35 befindet. Sie wird als Erkennungsregion - TTGACA - bezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden angegebenen Regionen ist ziemlich konstant und reicht von 16 bis 19 Basenpaaren (bp).

Eukaryotische Genpromotoren umfassen auch mindestens zwei spezifische Nukleotidsequenzen, die an den Positionen –25 und –75 bp zentriert sind.

In einem Abstand von 19-27 Nukleotiden vom Startpunkt vor dem Transkriptionsverlauf vieler eukaryontischer Gene wurde die durchschnittliche statistische Sequenz TAT AT AT AT (TATA-Block oder Hogness-Block) gefunden, in der wie im Pribnov-Block bei Prokaryoten überwiegen Basen und bilden schwächere Bindungen. Die zweite Sequenz, die in vielen eukaryontischen Promotoren gefunden wird und aus GG C T CAATCT besteht, wird als CAAT-Block bezeichnet. Es nimmt eine Position zwischen -70 und -80 Nukleotiden ein und wird auch von der Polymerase erkannt. In einigen Genen wurden Multikomponenten-Promotoren gefunden.

In einzelnen Genen des Herpesvirus sind also für eine effektive Transkriptionsinitiation drei DNA-Sequenzen erforderlich, die zwischen - 19 und - 27, zwischen - 47 und - 61 und auch zwischen - 80 und - 105 Nukleotiden liegen.

Abb. 36. Kontaktstellen für RNA-Polymerase im oberen DNA-Strang (Promotor)

Die Merkmale der Promotorregionen weisen darauf hin, dass nicht nur die Basenkombination in bestimmten Regionen des Promotors für die Initiation der Transkription wichtig ist, sondern auch die gegenseitige Anordnung dieser Regionen im DNA-Molekül, an die der RNA-Polymerase-Enzymkomplex bindet.

Nachdem der Kontakt zwischen der RNA-Polymerase und der Promotorstelle hergestellt wurde, beginnt der Zusammenbau des RNA-Moleküls, wobei das erste meist ein Nukleotid enthält, das eine Purinbase (normalerweise Adenin) trägt und drei 5'-Phosphatreste enthält.

Wenn sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Moleküls bewegt, tritt außerdem eine allmähliche Verlängerung der RNA-Kette auf, die andauert, bis das Enzym auf die Terminatorregion trifft. Der Terminator ist die Stelle, an der das weitere Wachstum der RNA-Kette stoppt und von der DNA-Matrix freigesetzt wird. Die RNA-Polymerase wird auch von der DNA getrennt, wodurch ihre doppelsträngige Struktur wiederhergestellt wird.

Abb. 37. DNA-Region mit doppelter Symmetrie - Palindrom:

I - Palindrom, in dem eine Sequenz vorliegt, die beim Lesen in entgegengesetzte Richtungen gleich ist;

II - Palindrom, bei dem der schattierte invertierte Rapport von der Symmetrieachse entfernt ist

In prokaryontischen Zellen enthalten Terminatoren notwendigerweise Palindrome – doppelsträngige DNA-Nukleotidsequenzen, die in beide Richtungen gleich gelesen werden (Abb. 37). Eine RNA-Region, die von einer solchen Sequenz transkribiert wurde, kann aufgrund der komplementären Paarung von Palindrom-Nukleotiden doppelsträngige Haarnadeln bilden. Vielleicht ist dies das Signal für den Abschluss der Transkription, das von der RNA-Polymerase erkannt wird (Abbildung 3.38). Die entstehenden Haarnadeln scheinen die Polymerase am Terminator zu stoppen. Nach der Haarnadelkurve ist eine Nukleotidsequenz, die Uracil (polyU) enthält, in das RNA-Molekül eingeschlossen, das wahrscheinlich an der Freisetzung von RNA aus der DNA-Matrize beteiligt ist. Tatsächlich ist die polyY-RNA-Sequenz, die mit der Polyadenyl-(polyA)-DNA-Sequenz verbunden ist, durch eine schwache Wechselwirkung gekennzeichnet. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die an AT-Paaren reiche DNA-Region nicht nur an der Stelle der Transkriptionsinitiation (Pribnov-Block), sondern auch in der Terminatorregion gefunden wird.

Bakterielle Terminatoren variieren stark in ihrer Wirksamkeit. Einige von ihnen werden sozusagen von der RNA-Polymerase nicht bemerkt und setzt die Transkription außerhalb des Terminators fort. Dieses Ablesen des Terminators während der Transkription von bakteriellen Genen wird als Ergebnis der Verhinderung der Termination durch spezifische Proteine ​​- Antiterminationsfaktoren - beobachtet. Antitermination führt zur Synthese von polycistronischer mRNA, die Informationen enthält, die von mehreren sequentiell lokalisierten Strukturgenen kopiert wurden.

Terminatoren eukaryotischer Gene wurden in geringerem Maße untersucht als bei Proskaryoten, enthalten aber auch Regionen, die reich an G-C paarweise, verbunden durch dreifache Wasserstoffbrücken, in der sich die Stelle mit AT-Paaren befindet. An dieser Stelle enthält das Transkript eine polyY-Sequenz, die schwach mit der Matrizen-polyA-Region der DNA interagiert.

Es ist möglich, dass die an G-C-Paaren reiche Terminatorregion eine gewisse Rolle beim Stoppen der RNA-Polymerase spielt und die RNA-Region, die UUUU enthält, für die Trennung des Transkripts von der DNA-Matrize sorgt.

Bei Eukaryoten wurde die Bildung von haarnadelähnlichen Strukturen in prokaryotischer RNA nicht gefunden. Daher bleibt unklar, wie sie die Transkription beenden.

In der Zusammensetzung aller mRNA können kodierende Regionen unterschieden werden, die einen Satz von Codons darstellen, die die Aminosäuresequenz im Peptid kodieren. In der Regel beginnen diese Regionen mit dem AUG-Startcodon, manchmal verwenden Bakterien aber auch das GUT-Codon. Am Ende der kodierenden Sequenz befindet sich ein Stopcodon. Zusätzlich zu den kodierenden Regionen in mRNA können sich an beiden Enden weitere Sequenzen befinden. Am 5"-Ende ist dies die Leader-Site, die sich vor dem Startcodon befindet. Am 3"-Ende folgt ein Trailer auf das Terminator-Codon.

Abb. 38. Haarnadelbildung durch eine RNA-Region während der Transkriptionstermination in Prokaryonten

Die RNA-Region, die das Palindrom trägt, bildet eine komplementäre Paarungsstruktur - eine Haarnadel (invertierte Wiederholungen sind schattiert)

In polycistronischer mRNA von Prokaryonten gibt es intercistronische Regionen unterschiedlicher Größe zwischen den kodierenden Regionen (Abbildung 3.39).

Abb. 39. Polycistronische Boten-RNA von Prokaryoten:

1 – nicht-kodierende Regionen, 2 – intercistronische Regionen, 3 – kodierende Regionen, 4 – Terminationscodons

Aufgrund der Tatsache, dass prokaryontische Gene vollständig aus Nukleotidsequenzen bestehen, die an der Kodierung von Informationen beteiligt sind, kann die von ihnen transkribierte RNA unmittelbar nach ihrer Synthese die Funktion von Matrices für die Translation erfüllen. Nur in Ausnahmefällen ist deren Vorreifung erforderlich - Verarbeitung.

Im Gegensatz zu prokaryontischen Genen sind die meisten Gene eukaryontischer Zellen intermittierend, da sie nicht aussagekräftige Nukleotidsequenzen enthalten – Introns, die nicht an der Kodierung von Informationen beteiligt sind. Diesbezüglich sind die von der RNA-Polymerase II synthetisierten Primärtranskripte größer als für die Translation benötigt und erweisen sich als weniger stabil. Zusammen bilden sie die sogenannte heterogene nukleäre RNA (tRNA), die, bevor sie den Zellkern verlässt und im Zytoplasma aktiv zu wirken beginnt, prozessiert und in reife mRNA umgewandelt wird.

Eukaryontische mRNA-Prozessierung. Die Reifung oder Prozessierung von mRNA beinhaltet die Modifikation des primären Transkripts und die Entfernung nicht-kodierender Intron-Regionen, gefolgt vom Verbinden (Spleißen) von kodierenden Sequenzen – Exons. Die Modifikation des primären Transkripts der eukaryotischen mRNA beginnt kurz nach der Synthese seines 5'-Endes, das eine der Purinbasen (Adenin oder Guanin) enthält. An diesem Ende wird eine Kappe gebildet - eine Kappe, die das 5'-Ende blockiert von mRNA durch Verbinden des ersten Nukleotids des Guanin enthaltenden Triphosphonukleosid-Transkripts, Bindung 5 "-5".

Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + f Als Ergebnis wird die Sequenz GfffAfFM ... gebildet, in der der Tuaninrest in umgekehrter Orientierung zu anderen mRNA-Nukleotiden vorliegt. Die Modifikation des 5"-Endes der mRNA beinhaltet auch die Methylierung des angehängten Guanins und der ersten zwei oder drei Basen des primären Transkripts (Abb. 3.40). An den 5"-Enden der mRNA gebildete Kappen sorgen für die Erkennung von mRNA-Molekülen durch kleine Ribosomen Untereinheiten im Zytoplasma. Das Caching erfolgt noch vor dem Ende der Synthese des Primärtranskripts.

Reis. 40. Bildung reifer eukaryontischer mRNA während der Verarbeitung:

1 - nicht kodierende Sequenzen, 2 - Exons, 3 - Introns, 4 - Terminatorcodon

Nach Beendigung der Transkription wird ein Teil der Nukleotide am 3'-Ende des Primärtranskripts entfernt und eine Sequenz bestehend aus 100-200 Adenylsäure (polyA)-Resten daran angehängt (Abb. 3.40). Es wird angenommen, dass dies Sequenz trägt zur Weiterverarbeitung und zum Transport reifer mRNA von Nach der Freisetzung der mRNA in das Zytoplasma wird ihre polyA-Sequenz allmählich durch Enzyme verkürzt, die Nukleotide am 3'-Ende spalten. Somit kann die Länge der polyA-Sequenz verwendet werden, um indirekt die Verweilzeit von mRNA im Zytoplasma zu beurteilen. Es ist möglich, dass die Zugabe einer polyA-Sequenz während der Prozessierung die Stabilität der mRNA erhöht. Etwa ein Drittel der mRNAs enthält jedoch überhaupt keine polyA-Region. Dazu gehören beispielsweise Histon-mRNAs.

Die Bildung einer Kappe am 5"-Ende und einer polyA-Sequenz am 3"-Ende ist nur für die Prozessierung von RNA, synthetisiert durch RNA-Polymerase II, charakteristisch. Neben der Methylierung kommt es bei der Bildung von Caps in der mRNA höherer Eukaryoten mit einer Häufigkeit von etwa einer von tausend mRNA-Basen zur Methylierung eines kleinen Teils der internen Nukleotide.

Zusammen mit der Modifikation von eukaryotischer mRNA beinhaltet die Verarbeitung die Entfernung von Intronregionen aus primären Transkripten, die für ein gegebenes Protein nicht informativ sind, deren Größe von 100 bis 10.000 Nukleotiden oder mehr variiert. Introns machen etwa 80 % aller hnRNA aus. Die Entfernung von Introns mit anschließender Verbindung von Exon-Regionen wird als Spleißen bezeichnet (Abb. 40).

Spleißen ist ein Mechanismus, der die Entfernung streng definierter Intron-Regionen aus dem Primärtranskript sicherstellen muss. Eine Verletzung dieses Prozesses kann zu einer Verschiebung des Leserahmens während der Translation und der Unfähigkeit, ein normales Peptid zu synthetisieren, führen. Die Regelmäßigkeit der Exzision von Introns wird offensichtlich durch das Vorhandensein spezifischer Nukleotidsequenzen an ihren Enden gewährleistet, die als Signale für das Spleißen dienen.

Mehrere plausible Spleißmechanismen wurden beschrieben, um die Genauigkeit dieses Prozesses sicherzustellen. Möglicherweise wird dies durch die Wirkung einiger Enzyme erreicht, die spezifisch die Endregionen von Introns erkennen und das Aufbrechen von Phosphodiester-Bindungen an der Exon-Intron-Grenze und dann die Bildung von Bindungen zwischen zwei Exons katalysieren.

Die aktive Beteiligung am Spleißen spezieller kleiner, nukleärer RNAs (snRNA), die mit Proteinen (snRNP) Komplexe bilden. Offensichtlich interagiert snRNA mit ihren Nukleotidsequenzen komplementär mit den Endregionen von Introns, die in diesem Fall geschlossene Schleifen bilden. Die Spaltung von RNA an der Mündung der Intronschleife führt zur Entfernung nichtinformativer Sequenzen und zum Spleißen der benachbarten Enden von Exons.

Die autokatalytische Fähigkeit des RNA-Transkripts zum Spleißen wird ebenfalls diskutiert. Die beschriebenen Spleißmethoden weisen auf das Fehlen eines universellen Mechanismus für diesen Prozess hin, jedoch wird in allen Fällen eine genaue Entfernung von Introns durch die Bildung einer spezifischen mRNA erreicht, die die Synthese des von der Zelle benötigten Proteins ermöglicht.

Derzeit wurde die Möglichkeit des alternativen (sich gegenseitig ausschließenden) Spleißens nachgewiesen, bei dem unterschiedliche Nukleotidsequenzen aus demselben Primärtranskript entfernt und unterschiedliche reife mRNAs gebildet werden können. Dadurch kann dieselbe DNA-Nukleotidsequenz als Information für die Synthese unterschiedlicher Peptide dienen. Alternatives Spleißen ist wahrscheinlich sehr charakteristisch für das Immunglobulin-Gensystem bei Säugetieren, wo es die Bildung von mRNA basierend auf einem einzigen Transkript für die Synthese ermöglicht verschiedene Typen Antikörper.

Aufgrund der Transformationen, die mit dem RNA-Transkript während der Prozessierung stattfinden, sind reife eukaryotische mRNAs stabiler als prokaryotische mRNAs.

Nach Abschluss der Verarbeitung wird reife mRNA einer Selektion unterzogen, bevor sie in das Zytoplasma eintritt, wo nur 5 % der hnRNA eintreten. Der Rest wird gespalten, ohne den Kern zu verlassen.

Somit bestimmen die Transformationen der primären Transkripte eukaryotischer Gene, die durch ihre exonitronische Organisation und die Notwendigkeit, dass mRNA vom Zellkern in das Zytoplasma übergeht, verursacht werden, die Merkmale der Implementierung genetischer Information in einer eukaryotischen Zelle.

Ausstrahlung von Pro- und Eukaryoten. In prokaryotischen Zellen ist der Translationsprozess mit der Synthese von mRNA verbunden: Sie laufen fast gleichzeitig ab. Dies liegt vor allem an der Zerbrechlichkeit der bakteriellen mRNA, die ziemlich schnell zerfällt. Die Wechselbeziehung von Transkription und Translation in Bakterien manifestiert sich in der Konsistenz der Geschwindigkeiten dieser Prozesse. Bei 37 ° C erfolgt die Transkription mit einer Geschwindigkeit von 2500 Nukleotiden / min (14 Codons / s) und die Translation erfolgt mit einer Rate von 15 Aminosäuren / s.

Die Translation in Prokaryoten beginnt kurz nach der Bildung des 5'-Endes der mRNA, bevor ihre Synthese endet. Als Folge bewegen sich Ribosomen, die die Peptidketten zusammenbauen, nach der RNA-Polymerase entlang der mRNA (Abb. 41). Einige Zeit nach dem Start der Transkription (ca. 1 min) und bevor die Translation des 3"-Endes der Matrize abgeschlossen ist, beginnt der Abbau seines 5"-Endes.

Eines der Merkmale der Translation bei Prokaryonten ist die Aufnahme eines modifizierten Methionins, Formylmethionin, in die Peptidkette als erste Aminosäure, von der alle neu synthetisierten Peptide ausgehen. Selbst wenn die Rolle des Startcodons der GUG-Code spielt, der unter normalen Bedingungen Valin verschlüsselt, erscheint Formylmethionin an der ersten Position des Peptids. Das Startcodon AUG oder GUG folgt der Leader-Region, die zum Zeitpunkt der Translationsinitiation vom Ribosom gescreent wird.

Die Verbindung des Ribosoms mit mRNA beruht auf der komplementären Wechselwirkung der Nukleotide einer der rRNAs mit der Nukleotidsequenz des mRNA-Leaders.

Diese Sequenz (Shine-Dalgarno) liegt in einem Abstand von 4-7 Basen vor dem AUG-Codon und findet sich überall in den Leader-Regionen in Prokaryoten.

Wenn sich das 5'-Ende der mRNA einer kleinen Untereinheit des Ribosoms anschließt, erscheint das Startcodon normalerweise fast in der Mitte des Ribosom-gescreenten mRNA-Fragments, in der Region, die seiner P-Region entspricht.

Bei Eukaryoten erfolgt die Translation im Zytoplasma, wo reife mRNA aus dem Zellkern gelangt. Das kopierte Ende der mRNA wird von einer kleinen Untereinheit des Ribosoms erkannt, dann interagiert die führende Sequenz, die bis zu 100 Nukleotide enthält, mit der rRNA. In diesem Fall erscheint das AUG-Startcodon in der unfertigen P-Region des Ribosoms. Nach Anheftung an das Startcodon der Methionin tragenden Aminoacyl-tRNA werden zwei Ribosomen-Untereinheiten wieder vereint und ihre A- und P-Regionen gebildet. Die Proteinsynthese in einer eukaryontischen Zelle, die an einer monocistronischen mRNA durchgeführt wird, ist abgeschlossen, nachdem das Ribosom die gesamte mRNA passiert hat, bis es das Terminatorcodon erkennt, das die Bildung von Peptidbindungen stoppt.

Posttranslationale Proteintransformationen. Peptidketten, die während der Translation synthetisiert werden, erhalten aufgrund ihrer Primärstruktur eine sekundäre und tertiäre und viele auch eine quartäre Organisation, die aus mehreren Peptidketten besteht. Abhängig von den Funktionen, die Proteine ​​erfüllen, können ihre Aminosäuresequenzen verschiedene Transformationen durchlaufen, um funktionell aktive Proteinmoleküle zu bilden.

Viele Membranproteine ​​werden als Präproteine ​​mit einer Leadersequenz am N-Terminus synthetisiert, die ihm die Membranerkennung ermöglicht. Diese Sequenz wird während der Reifung und dem Einbau des Proteins in die Membran abgespalten. Sekretorische Proteine ​​haben auch am N-Terminus eine Leader-Sequenz, die ihren Transport durch die Membran gewährleistet. Einige Proteine ​​tragen unmittelbar nach der Translation zusätzliche Aminosäure-Prosequenzen, die die Stabilität der Vorläufer aktiver Proteine ​​bestimmen. Während der Proteinreifung werden sie entfernt, wodurch der Übergang vom inaktiven Protein zum aktiven Protein ermöglicht wird. Beispielsweise wird Insulin zunächst als Präproinsulin synthetisiert. Bei der Sekretion wird die Präsequenz abgespalten und das Proinsulin erfährt dann eine Modifikation, bei der ein Teil der Kette aus ihm entfernt und in reifes Insulin umgewandelt wird.

Abb. 41. Transkription, Translation und Abbau von mRNA in Prokaryonten:

I – RNA-Polymerase bindet an DNA und beginnt mRNA in Richtung 5 "→ 3" zu synthetisieren;

II – mit fortschreitender RNA-Polymerase werden Ribosomen an das 5'-Ende der mRNA angehängt, wodurch die Proteinsynthese gestartet wird;

III - eine Gruppe von Ribosomen folgt der RNA-Polymerase, ihr Abbau beginnt am 5'-Ende der mRNA;

IV – der Abbauprozess ist langsamer als Transkription und Translation;

V - nach dem Ende der Transkription wird die mRNA von der DNA befreit, die Translation und der Abbau werden am 5"-Ende fortgesetzt

Durch die Bildung von tertiären und quartären Organisationen im Zuge posttranslationaler Transformationen erwerben Proteine ​​die Fähigkeit, aktiv zu funktionieren, in bestimmte zelluläre Strukturen eingebaut zu werden und enzymatische und andere Funktionen zu erfüllen.

Die betrachteten Merkmale der Umsetzung genetischer Informationen in pro- und eukaryontischen Zellen zeigen eine grundsätzliche Ähnlichkeit dieser Prozesse. Folglich entwickelte sich der Mechanismus der Genexpression, der mit der Transkription und anschließenden Translation von Informationen verbunden ist, die mit einem biologischen Code verschlüsselt werden, als Ganzes, noch bevor diese beiden Arten von zellulärer Organisation gebildet wurden. Die unterschiedliche Evolution der Genome von Pro- und Eukaryoten führte zu Unterschieden in der Organisation ihres Erbmaterials, die sich nur auf die Mechanismen ihrer Expression auswirken konnten.

Die ständige Verbesserung unseres Wissens über die Organisation und Funktionsweise des Vererbungs- und Variabilitätsmaterials bestimmt die Entwicklung der Vorstellungen über das Gen als funktionelle Einheit dieses Materials.

Hinsichtlich der chemischen Organisation des Vererbungs- und Variabilitätsmaterials unterscheiden sich eukaryontische und prokaryontische Zellen nicht grundsätzlich voneinander. Ihr genetisches Material wird durch DNA repräsentiert. Ihnen gemeinsam ist das Prinzip der Erfassung genetischer Informationen sowie des genetischen Codes. Dieselben Aminosäuren werden in Pro- und Eukaryoten mit denselben Codons kodiert. Die Nutzung der in der DNA gespeicherten Erbinformationen erfolgt bei diesen Zelltypen grundsätzlich auf die gleiche Weise. Einige Merkmale der Organisation des Erbguts, die eukaryontische von prokaryontischen Zellen unterscheiden, bestimmen jedoch die Unterschiede in der Verwendung ihrer genetischen Informationen.

Das Erbmaterial einer prokaryontischen Zelle ist hauptsächlich in einem einzigen ringförmigen DNA-Molekül enthalten.

Das Erbgut von Eukaryoten ist voluminöser als das von Prokaryoten. Es befindet sich hauptsächlich in Chromosomen, die durch die Kernhülle vom Zytoplasma getrennt sind.

Es gibt signifikante Unterschiede in der molekularen Organisation der Gene einer eukaryontischen Zelle. In den meisten von ihnen sind die Kodierungssequenzen Exons sind unterbrochen intronic Stellen, die nicht bei der Synthese von tRNA, rRNA oder Peptiden verwendet werden. Diese Regionen werden aus der primär transkribierten RNA entfernt, und daher erfolgt die Nutzung der genetischen Information in einer eukaryontischen Zelle auf etwas andere Weise. In einer prokaryontischen Zelle, in der das Erbmaterial und der Proteinbiosyntheseapparat nicht räumlich getrennt sind, finden Transkription und Translation fast gleichzeitig statt. In einer eukaryontischen Zelle sind diese beiden Stadien nicht nur durch die Kernhülle räumlich getrennt, sondern zeitlich getrennt durch die Reifung der mRNA, aus der nicht aussagekräftige Sequenzen entfernt werden müssen.

Chemische Organisation von genetischem Material.

Genebene.

Die elementare Funktionseinheit des genetischen Apparats, die die Möglichkeit der Entwicklung eines individuellen Merkmals einer Zelle oder eines Organismus einer bestimmten Art bestimmt, ist Gen(Erbgut, nach G. Mendel). Durch die Übertragung von Genen in eine Reihe von Generationen von Zellen oder Organismen wird materielle Kontinuität erreicht - die Vererbung elterlicher Merkmale durch die Nachkommen.

Unter Unterschrift die Einheit von morphologischer, physiologischer, biochemischer, immunologischer, klinischer und jeder anderen Diskretion von Organismen (Zellen) verstehen, d.h. eine separate Eigenschaft oder Eigenschaft, durch die sie sich voneinander unterscheiden.

Chromosomenebene.

Die Gene eukaryontischer Zellen sind entlang der Chromosomen verteilt und bilden die CHROMOSOMAL-Organisationsebene des Erbguts. Diese Organisationsebene dient als notwendige Bedingung für die Genverknüpfung und die Umverteilung der elterlichen Gene bei den Nachkommen während der sexuellen Fortpflanzung (Crossing Over).

Chromosomen- Nukleoproteinstrukturen im Kern einer eukaryontischen Zelle, in denen die meisten Erbinformationen konzentriert sind und die zu ihrer Speicherung, Umsetzung und Weitergabe bestimmt sind.

Genomische Ebene.

Genom - der gesamte Satz an Erbmaterial, der im haploiden Chromosomensatz von Zellen einer bestimmten Art von Organismen enthalten ist. Das Genom ist artspezifisch, da es der notwendige Satz von Genen ist, der die Bildung von Artmerkmalen von Organismen im Verlauf ihrer normalen Ontogenese sicherstellt.

Genstruktur.

Studien zur Aufklärung der chemischen Natur von Erbgut haben unwiderlegbar bewiesen, dass das materielle Substrat der Vererbung und Variabilität Nukleinsäuren, die von F. Mischer (1868) in den Kernen von Eiterzellen entdeckt wurden. Nukleinsäuren sind Makromoleküle, d.h. ein hohes Molekulargewicht haben. Dies sind Polymere aus Monomeren - Nukleotide, bestehend aus drei Komponenten: Zucker(Pentose), Phosphat und Stickstoffbase(Purin oder Pyrimidin). An das erste Kohlenstoffatom des Pentose-C-1 ′-Moleküls ist eine stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin oder Uracil) und an das fünfte Kohlenstoffatom C-5 ′ Phosphat über eine Etherbindung gebunden; das dritte Kohlenstoffatom C-3 'hat immer eine Hydroxylgruppe - OH.

Die Verbindung von Nukleotiden zu einem Nukleinsäure-Makromolekül erfolgt durch die Wechselwirkung des Phosphats eines Nukleotids mit dem Hydroxyl eines anderen, so dass zwischen ihnen hergestellt wird Phosphodiesterbindung... Als Ergebnis wird eine Polynukleotidkette gebildet. Das Rückgrat der Kette besteht aus abwechselnden Phosphat- und Zuckermolekülen. Eine der obigen stickstoffhaltigen Basen ist an die Pentosemoleküle an der C-1'-Position gebunden.

DNA-Struktur, Eigenschaften und Funktionen.

DNA besteht aus Nukleotiden, zu denen Zucker - Desoxyribose, Phosphat und eine der stickstoffhaltigen Basen - Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin gehören. DNA-Moleküle umfassen zwei Polynukleotidketten, die auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sind. Watson und Crick schlugen vor, dass diese Ketten nach dem Prinzip der Komplementarität durch Wasserstoffbrücken zwischen ihren stickstoffhaltigen Basen miteinander verbunden sind. Adenin einer Kette ist durch zwei Wasserstoffbrücken mit Thymin der anderen Kette verbunden, und zwischen Guanin und Cytosin verschiedener Ketten werden drei Wasserstoffbrücken gebildet. Diese Verbindung von stickstoffhaltigen Basen sorgt für eine starke Bindung zwischen den beiden Ketten und hält durchgehend einen gleichen Abstand zwischen ihnen. Ein weiteres wichtiges Merkmal zweier Polynukleotidketten in einem DNA-Molekül ist ihre Antiparallelität: Das 5-Ende der einen Kette ist mit dem 3-Ende der anderen verbunden und umgekehrt. Röntgenstrukturanalysedaten zeigten, dass ein DNA-Molekül, das aus zwei Strängen besteht, eine um seine Achse verdrehte Spirale bildet. Helixdurchmesser 2 nm, Steigung 3,4 nm. Jeder Zug enthält 10 Basenpaare. Dass. in der strukturellen Organisation des DNA-Moleküls kann eine Primärstruktur unterschieden werden - eine Polynukleotidkette, eine Sekundärstruktur - zwei komplementäre und antiparallele Ketten und eine tertiäre

Die Struktur ist eine dreidimensionale Spirale.

DNA ist in der Lage, sich selbst zu kopieren - Replikation. Bei der Replikation wird an jeder Polynukleotidkette des Eltern-DNA-Moleküls eine komplementäre Kette synthetisiert. Dadurch entstehen aus einer DNA-Doppelhelix zwei identische Doppelhelices. Diese Methode zur Verdoppelung von Molekülen, bei der jedes Tochtermolekül eine Eltern- und eine neu synthetisierte Kette hat, wird als semikonservativ bezeichnet. Damit die Replikation stattfinden kann, muss mütterliche DNA voneinander getrennt werden, um zu Matrizen zu werden, auf denen komplementäre Ketten von Tochtermolekülen synthetisiert werden. Mit Hilfe des Enzyms Helikase wird die Doppelhelix der DNA in getrennten Zonen abgewickelt. Die dabei gebildeten einzelsträngigen Bereiche werden durch spezielle destabilisierende Proteine ​​gebunden. Die Moleküle dieser Proteine ​​reihen sich entlang der Polynukleotidketten aneinander, strecken ihr Rückgrat und machen stickstoffhaltige Basen für die Bindung an komplementäre Nukleotide verfügbar. Divergenzbereiche von Polynukleotidketten in Replikationszonen werden Replikationsgabeln genannt. In jeder dieser Regionen wird unter Beteiligung des DNA-Polymerase-Enzyms die DNA von zwei neuen Tochtermolekülen synthetisiert. Bei der Synthese bewegt sich die Replikationsgabel entlang der mütterlichen Spirale und erfasst alle neuen Zonen. Das Endergebnis der Replikation ist die Bildung von zwei DNA-Molekülen, deren Nukleotidsequenz mit der der mütterlichen DNA-Doppelhelix identisch ist.

Verhalten: ein evolutionärer Ansatz Nikolay Kurchanov

1.2. Organisation von genetischem Material

Die strukturelle und funktionelle Organisation des genetischen Apparats bestimmt die Einteilung aller lebenden Organismen in Prokaryonten und Eukaryonten. In Prokaryoten (zu denen Bakterien und Archaeen gehören) ist die DNA ein ringförmiges Molekül und befindet sich im Zytoplasma der Zelle. In Eukaryoten (zu denen alle anderen Organismen gehören) sind die strukturellen Träger der Erbinformation DNA Chromosomen, im Kern liegt.

Chromosomen sind eine komplexe mehrstufige Struktur, in der DNA mit verschiedenen Proteinen interagiert. Die Grundebene dieser Struktur ist Nukleosomen, das sind Kügelchen aus acht Proteinmolekülen Histone, mit DNA verflochten. Das Nukleohiston-Filament wird anschließend viele Male nach unten gefaltet, wodurch kompakte Chromosomen entstehen. Diese Struktur eröffnet weitreichende Regulierungsmöglichkeiten.

Da die Zahl der Gene im Körper inkommensurabel größer ist als die Zahl der Chromosomen, ist klar, dass jedes Chromosom viele Gene trägt. Jedes Gen nimmt einen bestimmten Platz im Chromosom ein - Ort. Gene, die sich auf demselben Chromosom befinden, werden als bezeichnet verknüpft.

Neben dem Zellkern befindet sich ein kleiner Teil der Erbinformation einer eukaryontischen Zelle in Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten, die über ein eigenes genetisches System verfügen: eigene DNA, verschiedene RNAs (i-RNA, t-RNA, r -RNA) und Ribosomen, was eine unabhängige Synthese Eichhörnchen ermöglicht. Die zirkulären DNAs dieser Organellen waren ein wichtiges Argument für ihren bakteriellen symbiotischen Ursprung zu Beginn der Entstehung des Lebens.

Der Zellkern von Eukaryoten trennt die Prozesse der Transkription und Translation, was zahlreiche Regulationsmöglichkeiten bietet. Die Regulation erfolgt in allen Stadien der eukaryotischen Genexpression. Eine zusätzliche Bühne für sie ist wird bearbeitet - der Prozess der komplexen Transformationen von RNA, die während der Transkription synthetisiert werden. Die wichtigste Komponente der i-RNA-Verarbeitung ist Spleißen, bei dem geschnitten wird Introns(nicht kodierende Genregionen) und Stitching Exons(Kodierungsbereiche). Exons und Introns bestimmen die "Mosaik"-Struktur eukaryontischer Gene. Durch die Verarbeitung wird die im Zellkern synthetisierte RNA funktionell aktiv.

Das Verständnis der vielfältigen Regulationsmechanismen hat unsere Vorstellungen von der strukturellen und funktionellen Organisation des genetischen Apparats heute radikal verändert.

Einer der Begründer der modernen Genetik, der herausragende dänische Wissenschaftler V. Johannsen (1857–1927), schlug grundlegende genetische Begriffe vor - Gen, Allel, Genotyp, Phänotyp, die die genetischen Eigenschaften eines Individuums bestimmen.

Gene, die sich an ihren Loci befinden, können Varianten haben - Allele. Ein Locus mit mehr als einem Allel in einer Population wird als polymorph bezeichnet. Normalerweise werden Allele durch Buchstaben des lateinischen oder griechischen Alphabets angezeigt, und wenn es viele davon gibt, dann mit einem hochgestellten Zeichen. Die Anzahl der Allele verschiedener Gene in Populationen von Organismen kann unterschiedlich sein. Manche Gene haben viele Allele, andere wenige. In jedem Fall ist die Anzahl der Allele durch evolutionäre Faktoren begrenzt: Allele, die die Anpassungseigenschaften einer Art verschlechtern oder mit dem Leben unvereinbar sind, werden durch natürliche Selektion eliminiert.

Ein bestimmter eukaryontischer Organismus hat nur zwei Allele eines Gens: entsprechend der Anzahl der homologen Loci der homologen Chromosomen (väterlicherseits und mütterlicherseits). Ein Organismus, bei dem beide Allele gleich sind, heißt homozygot(für dieses Gen). Ein Organismus mit verschiedenen Allelen heißt heterozygot(Abb. 1.4). Allele, die auf den Geschlechtschromosomen des heterogametischen Geschlechts lokalisiert sind, können im Singular vorhanden sein.

Genotyp kann als eine Reihe von Allelen eines Organismus dargestellt werden, und Phänotyp - als eine Reihe seiner äußeren Merkmale.

Der Begriff wurde 1920 vom deutschen Botaniker G. Winkler (1877-1945) eingeführt Genom wurde zu einem Merkmal einer ganzen Spezies von Organismen und nicht zu einem bestimmten Individuum. Dieses Konzept wurde später zu einem der wichtigsten. Bis in die 1980er Jahre. XX Jahrhundert. eine neue Richtung der Genetik entsteht - Genomik. Anfänglich wurde das Genom als ein Satz von Genorten des haploiden Satzes charakterisiert. Es stellte sich jedoch heraus, dass Gene selbst einen relativ kleinen Teil des Genoms einnehmen, obwohl sie dessen Grundlage bilden. Der größte Teil davon wird von intergenischen Bereichen eingenommen, wo es Bereiche mit regulatorischer Funktion sowie Bereiche mit unklarem Zweck gibt. Regulatorische Stellen sind untrennbar mit Genen verbunden, sind eine Art "Anweisungen", die die Arbeit von Genen in verschiedenen Entwicklungsstadien des Organismus bestimmen. Daher wird das Genom derzeit als der gesamte Satz von Zell-DNA bezeichnet, der für die DNA einer Art charakteristisch ist.

In der gegenwärtigen Entwicklungsphase der Genetik wird die Genomik zu einem ihrer Schlüsselbereiche. Der Erfolg der Genomik wurde durch den erfolgreichen Abschluss des Humangenomprogramms deutlich.

Reis. 1,4... Allele verknüpfter Gene von zwei homologen Chromosomen

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Studien zur Aufklärung der chemischen Natur des Erbgutes haben dies unwiderlegbar bewiesen materielles Substrat der Vererbung und Variabilität sindNukleinsäuren, die von F. Mischer (1868) in den Kernen von Eiterzellen entdeckt wurden. Nukleinsäuren sind Makromoleküle, d.h. ein hohes Molekulargewicht haben. Dies sind Polymere aus Monomeren - Nukleotide, bestehend aus drei Komponenten: Zucker(Pentose), Phosphat und Stickstoffbase(Purin oder Pyrimidin). An das erste Kohlenstoffatom des C-1-Pentosemoleküls ist eine stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin oder Uracil) und an das fünfte Kohlenstoffatom C-5" Phosphat über eine Etherbindung gebunden; das dritte Kohlenstoffatom C-3 "hat immer eine Hydroxylgruppe - OH ( siehe Zeichnung ).

Die Verbindung von Nukleotiden zu einem Nukleinsäure-Makromolekül erfolgt durch die Wechselwirkung des Phosphats eines Nukleotids mit dem Hydroxyl eines anderen, so dass zwischen ihnen hergestellt wird Phosphodiesterbindung(Abb. 3.2). Als Ergebnis wird eine Polynukleotidkette gebildet. Das Rückgrat der Kette besteht aus abwechselnden Phosphat- und Zuckermolekülen. An die Pentosemoleküle in C-1"-Position ist eine der obigen stickstoffhaltigen Basen gebunden (Abb. 3.3).

Reis. 3.1. Nukleotidstrukturdiagramm

Der Zusammenbau der Polynukleotidkette erfolgt unter Beteiligung des Polymerase-Enzyms, das die Anlagerung der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids an die Hydroxylgruppe in Position 3" des vorherigen Nukleotids gewährleistet (Abb. 3.3). Aufgrund der Spezifität der Wirkung dieses Enzyms festgestellt, erfolgt der Aufbau der Polynukleotidkette nur an einem Ende: dort, wo sich das freie Hydroxyl an Position 3 befindet ". Der Anfang der Kette trägt immer eine Phosphatgruppe an Position 5". Dadurch kann man 5" und 3" darin unterscheiden - endet.

Unter den Nukleinsäuren werden zwei Arten von Verbindungen unterschieden: Desoxyribonukleinsäure(DNA) und Ribonukleinsäure(RNA)Säure. Die Untersuchung der Zusammensetzung der Hauptträger des Erbguts - der Chromosomen - ergab, dass ihre chemisch stabilste Komponente die DNA ist, die ein Substrat der Vererbung und Variabilität ist.

DNA-Struktur. Modell J. Watson und F. Schrei

DNA besteht aus Nukleotiden, zu denen Zucker - Desoxyribose, Phosphat und eine der stickstoffhaltigen Basen - Purin (Adenin oder Guanin) oder Pyrimidin (Thymin oder Cytosin) gehören.

Ein Merkmal der strukturellen Organisation der DNA besteht darin, dass ihre Moleküle zwei Polynukleotidketten umfassen, die auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sind. Nach dem 1953 vom amerikanischen Biophysiker J. Watson und dem englischen Biophysiker und Genetiker F. Crick vorgeschlagenen dreidimensionalen DNA-Modell sind diese Ketten nach dem Prinzip der Komplementarität durch Wasserstoffbrücken zwischen ihren stickstoffhaltigen Basen miteinander verbunden . Adenin einer Kette ist durch zwei Wasserstoffbrücken mit Thymin der anderen Kette verbunden, und zwischen Guanin und Cytosin verschiedener Ketten werden drei Wasserstoffbrücken gebildet. Diese Verbindung von stickstoffhaltigen Basen sorgt für eine starke Bindung zwischen den beiden Ketten und hält durchgehend einen gleichen Abstand zwischen ihnen.

Reis. 3.4. Diagramm der Struktur des DNA-Moleküls. Pfeile zeigen die Antiparallelität der Schaltungen an.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Kombination zweier Polynukleotidketten in einem DNA-Molekül ist ihre Antiparallelität: Das 5"-Ende der einen Kette ist mit dem 3"-Ende der anderen verbunden und umgekehrt (Abb. 3.4).

Röntgenstrukturanalysedaten zeigten, dass ein DNA-Molekül, das aus zwei Strängen besteht, eine um seine eigene Achse verdrehte Spirale bildet. Der Helixdurchmesser beträgt 2 nm, die Schrittlänge beträgt 3,4 nm. Jeder Zug enthält 10 Basenpaare.

Am häufigsten sind Doppelhelices rechtshändig - beim Aufwärtsbewegen entlang der Spiralachse drehen sich die Ketten nach rechts. Die meisten DNA-Moleküle in Lösung liegen in der rechtshändigen B-Form (B-DNA) vor. Es werden jedoch auch linkshändige Formen (Z-DNA) gefunden. Wie viel dieser DNA in Zellen vorhanden ist und welche biologische Bedeutung sie hat, ist noch nicht geklärt (Abb. 3.5).

Reis. 3.5. Räumliche Modelle der linkshändigen Z-Form ( ich)

und rechtshändige B-Form ( II) DNA

So kann man in der strukturellen Organisation des DNA-Moleküls unterscheiden Primärstruktur - Polynukleotidkette, Sekundärstruktur- zwei komplementäre und antiparallele Polynukleotidketten, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, und Tertiärstruktur - eine dreidimensionale Spirale mit den obigen räumlichen Eigenschaften.

Eine der Haupteigenschaften des Vererbungsmaterials ist seine Fähigkeit, sich selbst zu kopieren - Reproduzieren. Diese Eigenschaft wird durch die Besonderheiten der chemischen Organisation des DNA-Moleküls, das aus zwei komplementären Strängen besteht, bereitgestellt. Bei der Replikation wird an jeder Polynukleotidkette des Eltern-DNA-Moleküls eine komplementäre Kette synthetisiert. Dadurch entstehen aus einer DNA-Doppelhelix zwei identische Doppelhelices. Diese Methode der Verdoppelung von Molekülen, bei der jedes Tochtermolekül eine Eltern- und eine neu synthetisierte Kette enthält, heißt halbkonservativ(siehe Abb. 2.12).

Damit die Replikation stattfinden kann, müssen mütterliche DNA-Stränge voneinander getrennt werden, um zu Matrizen zu werden, auf denen komplementäre Ketten von Tochtermolekülen synthetisiert werden.

Die Replikation wird in speziellen DNA-Regionen initiiert, die als bezeichnet werden ori (aus dem englischen Ursprung -Anfang). Sie umfassen eine Sequenz von 300 Basenpaaren, die von spezifischen Proteinen erkannt werden. Die DNA-Doppelhelix an diesen Loci ist in zwei Stränge gespalten, und in der Regel werden auf beiden Seiten des Replikationsursprungs Divergenzbereiche von Polynukleotidsträngen gebildet - Replikationsgabeln, die sich vom Ort in entgegengesetzte Richtungen bewegen ori Richtungen. Zwischen den Replikationsgabeln entsteht eine Struktur namens Replikat Guckloch, wo neue Polynukleotidketten auf zwei Strängen der DNA der Mutter gebildet werden (Abbildung 3.8, EIN).

Das Endergebnis des Replikationsvorgangs ist die Bildung von zwei DNA-Molekülen, deren Nukleotidsequenz mit der der mütterlichen DNA-Doppelhelix identisch ist.

Die DNA-Replikation bei Pro- und Eukaryoten ist grundsätzlich ähnlich, jedoch ist die Syntheserate bei Eukaryoten (ca. 100 Nukleotide/s) um eine Größenordnung geringer als bei Prokaryoten (1000 Nukleotide/s). Der Grund hierfür kann die Bildung von eukaryontischer DNA aus ausreichend starken Verbindungen mit Proteinen sein (s. Kap. 3.5.2.), was deren für die replikative Synthese notwendige Despiralisierung erschwert.

1869 entdeckte der Schweizer Biochemiker Friedrich Miescher im Zellkern Verbindungen mit sauren Eigenschaften und einem noch höheren Molekulargewicht als Proteine. Altman nannte sie Nukleinsäuren, von lateinisches Wort"Kern" - der Kern. Nukleinsäuren sind wie Proteine ​​Polymere. Ihre Monomere sind Nukleotide, wobei Nukleinsäuren auch als Polynukleotide bezeichnet werden können.

Nukleinsäuren wurden in den Zellen aller Organismen gefunden, von den einfachsten bis zu den höchsten. Das Erstaunlichste ist das chemische Zusammensetzung, stellten sich die Struktur und die grundlegenden Eigenschaften dieser Substanzen in einer Vielzahl von lebenden Organismen als ähnlich heraus. Aber wenn etwa 20 Arten von Aminosäuren am Aufbau von Proteinen beteiligt sind, dann gibt es nur vier verschiedene Nukleotide, aus denen Nukleinsäuren bestehen.

Nukleinsäuren werden in zwei Typen unterschieden - Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die DNA enthält stickstoffhaltige Basen (Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T), Cytosin (C)), Desoxyribose C 5 H 10 O 4 und einen Phosphorsäurerest. Anstelle von Thymin enthält die RNA Uracil (U) und anstelle von Desoxyribose Ribose (C5H10O5). Monomere von DNA und RNA sind Nukleotide, die aus Stickstoff-, Purin- (Adenin und Guanin) und Pyrimidin- (Uracil, Thymin und Cytosin) Basen, einem Phosphorsäurerest und Kohlenhydraten (Ribose und Desoxyribose) bestehen.

DNA-Moleküle sind in den Chromosomen des Zellkerns lebender Organismen, in den äquivalenten Strukturen von Mitochondrien, Chloroplasten, in prokaryotischen Zellen und in vielen Viren enthalten. In seiner Struktur ähnelt das DNA-Molekül einer Doppelhelix. Strukturmodell der DNA in
die Form einer Doppelhelix wurde erstmals 1953 von dem amerikanischen Biochemiker J. Watson und dem englischen Biophysiker und Genetiker F. Crick vorgeschlagen, die zusammen mit dem englischen Biophysiker M. Wilkinson, der ein DNA-Röntgenogramm erhielt, ausgezeichnet wurden, Nobelpreis 1962 Nukleinsäuren sind Biopolymere, deren Makromoleküle aus sich wiederholenden Einheiten – Nukleotiden – bestehen. Daher werden sie auch Polynukleotide genannt. Das wichtigste Merkmal von Nukleinsäuren ist ihre Nukleotidzusammensetzung. Das Nukleotid – die Struktureinheit der Nukleinsäuren – besteht aus drei Komponenten:

stickstoffhaltige Base - Pyrimidin oder Purin. Nukleinsäuren enthalten 4 verschiedene Basenarten: zwei davon gehören zur Purinklasse und zwei zur Pyrimidinklasse. Der in den Ringen enthaltene Stickstoff verleiht den Molekülen grundlegende Eigenschaften.

Monosaccharid - Ribose oder 2-Desoxyribose. Zucker, der Teil des Nukleotids ist, enthält fünf Kohlenstoffatome, d.h. ist eine Pentose. Je nach Art der im Nukleotid vorhandenen Pentose werden zwei Arten von Nukleinsäuren unterschieden - Ribonukleinsäuren (RNA), die Ribose enthalten, und Desoxyribonukleinsäuren (DNA), die Dysoxyribose enthalten.

Rest Phosphorsäure. Nukleinsäuren sind Säuren, weil sie Phosphorsäure in ihren Molekülen enthalten.

Die Methode zur Bestimmung der PC-Zusammensetzung basiert auf der Analyse von Hydrolysaten, die bei ihrem enzymatischen oder chemischen Abbau entstehen. Drei Methoden zur chemischen Zersetzung von NA werden üblicherweise verwendet. Saure Hydrolyse unter erschwerten Bedingungen (70 % Perchlorsäure, 100 °C, 1 h oder 100 % Ameisensäure, 175 °C, 2 h), die für die Analyse von DNA und RNA verwendet wird, führt zum Aufbrechen aller N-Glykosidika Bindungen und die Bildung einer Mischung aus Purin- und Pyrimidinbasen.

Nukleotide sind zu einer Kette verbunden durch kovalente Bindungen... Die so gebildeten Nukleotidketten sind über die gesamte Länge durch Wasserstoffbrücken zu einem DNA-Molekül verbunden: Das Adeninnukleotid der einen Kette verbindet sich mit dem Thyminnukleotid der anderen Kette und das Guaninnukleotid – mit dem Cytosin. In diesem Fall erkennt Adenin immer nur Thymin und bindet daran und umgekehrt. Ein ähnliches Paar bilden Guanin und Cytosin. Solche Basenpaare werden wie Nukleotide als komplementär bezeichnet, und das eigentliche Prinzip der Bildung eines doppelsträngigen DNA-Moleküls wird als Prinzip der Komplementarität bezeichnet. Die Zahl der Nukleotidpaare im menschlichen Körper beträgt beispielsweise 3 - 3,5 Milliarden.

DNA ist ein materieller Träger der Erbinformation, die durch eine Sequenz von Nukleotiden kodiert wird. Die Lage der vier Nukleotidtypen in DNA-Strängen bestimmt die Aminosäuresequenz in Proteinmolekülen, d.h. ihre Primärstruktur. Die Eigenschaften von Zellen und die individuellen Eigenschaften von Organismen hängen von der Menge der Proteine ​​ab. Eine bestimmte Kombination von Nukleotiden, die Informationen über die Struktur eines Proteins tragen, und die Reihenfolge ihrer Lage im DNA-Molekül bilden den genetischen Code. Ein Gen (von griechisch genos - Gattung, Herkunft) ist eine Erbguteinheit, die für die Bildung eines Merkmals verantwortlich ist. Es nimmt einen Abschnitt des DNA-Moleküls ein, der die Struktur eines Proteinmoleküls bestimmt. Der Satz von Genen, der in einem einzigen Chromosomensatz eines bestimmten Organismus enthalten ist, wird als Genom bezeichnet, und die genetische Konstitution des Organismus (der Satz aller seiner Gene) wird als Genotyp bezeichnet. Eine Verletzung der Nukleotidsequenz in der DNA-Kette und damit im Genotyp führt zu erblichen Veränderungen im Organismus, Mutationen.

Für DNA-Moleküle ist eine wichtige Eigenschaft der Verdoppelung charakteristisch - die Bildung von zwei identischen Doppelhelices, von denen jede mit dem ursprünglichen Molekül identisch ist. Dieser Vorgang der Verdoppelung eines DNA-Moleküls wird als Replikation bezeichnet. Die Replikation beinhaltet das Aufbrechen alter und die Bildung neuer Wasserstoffbrückenbindungen, die die Nukleotidketten vereinen. Zu Beginn der Replikation beginnen sich die beiden alten Ketten abzuwickeln und voneinander zu trennen. Dann werden nach dem Komplementaritätsprinzip neue zu den beiden alten Ketten hinzugefügt. So entstehen zwei identische Doppelhelixe. Die Replikation liefert eine genaue Kopie der genetischen Information, die in DNA-Molekülen enthalten ist, und gibt sie von Generation zu Generation weiter.

1. DNA-Zusammensetzung

DNA (Desoxyribonukleinsäure)- ein biologisches Polymer, das aus zwei miteinander verbundenen Polynukleotidketten besteht. Die Monomere, aus denen jeder der DNA-Stränge besteht, sind komplexe organische Verbindungen, die eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten: Adenin (A) oder Thymin (T), Cytosin (C) oder Guanin (G); der fünfatomige Zucker Pentose - Desoxyribose, nach dem die DNA selbst sowie der Phosphorsäurerest benannt wurden. Diese Verbindungen werden Nukleotide genannt. In jedem Strang werden Nukleotide durch die Bildung kovalenter Bindungen zwischen der Desoxyribose des einen und dem Phosphorsäurerest des nächsten Nukleotids verbunden. Zwei Ketten werden zu einem Molekül kombiniert, indem Wasserstoffbrücken verwendet werden, die zwischen den stickstoffhaltigen Basen entstehen, aus denen die Nukleotide bestehen, die verschiedene Ketten bilden.

Bei der Untersuchung der Nukleotidzusammensetzung von DNA unterschiedlicher Herkunft entdeckte Chargaff die folgenden Muster.

1. Alle DNA, unabhängig von ihrer Herkunft, enthält die gleiche Anzahl an Purin- und Pyrimidinbasen. Folglich gibt es in jeder DNA für jedes Purinnukleotid ein Pyrimidinnukleotid.

2. Jede DNA enthält immer gleiche Mengen an Adenin und Thymin, Guanin und Cytosin, die normalerweise als A = T und G = C bezeichnet werden. Die dritte folgt aus diesen Gesetzmäßigkeiten.

3. Die Anzahl der Basen mit Aminogruppen in Position 4 des Pyrimidinkerns und 6 des Purinkerns (Cytosin und Adenin) ist gleich der Anzahl der Basen mit einer Oxogruppe an den gleichen Positionen (Guanin und Thymin), dh A + K = G + T ... Diese Muster werden Chargaff-Regeln genannt. Außerdem wurde festgestellt, dass für jeden DNA-Typ der Gesamtgehalt an Guanin und Cytosin nicht gleich dem Gesamtgehalt an Adenin und Thymin ist, dh dass (G + C) / (A + T) als a Regel, unterscheidet sich von der Einheit (vielleicht sowohl mehr als auch weniger). Auf dieser Grundlage werden zwei Haupttypen von DNA unterschieden: Ein T-Typ mit einem überwiegenden Gehalt an Adenin und Thymin und G C-Typ mit einem überwiegenden Gehalt an Guanin und Cytosin.

Der Wert des Verhältnisses des Gehalts der Summe von Guanin und Cytosin zur Summe des Gehalts von Adenin und Thymin, der die Nukleotidzusammensetzung eines bestimmten DNA-Typs charakterisiert, wird normalerweise genannt Spezifitätskoeffizient... Jede DNA hat einen charakteristischen Spezifitätskoeffizienten, der von 0,3 bis 2,8 variieren kann. Bei der Berechnung des Spezifitätskoeffizienten wird der Gehalt an Nebenbasen sowie der Ersatz der Hauptbasen durch ihre Derivate berücksichtigt. Bei der Berechnung des Spezifitätskoeffizienten für EDNA von Weizenkeimen, die 6% 5-Methylcytosin enthalten, wird letzteres in die Summe des Gehalts an Guanin (22,7%) und Cytosin (16,8%) einbezogen. Die Bedeutung von Chargaffs Regeln für die DNA wurde nach der Festlegung ihrer räumlichen Struktur klar.

1. Makromolekulare Struktur der DNA

1953 entschlüsselten Watson und Crick, die sich auf bekannte Daten über die Konformation von Nukleosidresten, über die Natur der Internukleotidbindungen in der DNA und auf die Regelmäßigkeit der Nukleotidzusammensetzung der DNA (Chargaffs Regeln) stützten, die Röntgenbeugungsmuster der parakristalline Form der DNA [die sogenannte B-Form, gebildet bei einer Luftfeuchtigkeit von über 80 % und einer hohen Konzentration an Gegenionen (Li +) in der Probe]. Nach ihrem Modell ist das DNA-Molekül eine regelmäßige Helix, die aus zwei gegeneinander und um eine gemeinsame Achse verdrehten Polydesoxyribonukleotidketten gebildet wird. Der Durchmesser der Spirale ist über ihre gesamte Länge praktisch konstant und beträgt 1,8 nm (18 A).

Makromolekulare Struktur der DNA.

(a) - Watson-Crick-Modell;

(6) -Parameter der Helices von B-, C- und T-Formen von DNA (Projektionen senkrecht zur Achse der Helix);

(c) Querschnitt einer DNA-Helix in B-Form (schattierte Rechtecke repräsentieren Basenpaare);

(G)-Parameter der DNA-Helix in der A-Form;

(e)-Querschnitt der DNA-Helix in der A-Form.
Die Länge der Spiralwindung, die ihrer Identitätsperiode entspricht, beträgt 3,37 nm (33,7 A). Es gibt 10 Basenreste in einer Kette pro einer Windung der Helix. Der Abstand zwischen den Ebenen der Basen beträgt somit etwa 0.34 nm (3.4 A). Die Ebenen der Basenreste stehen senkrecht zur Längsachse der Spirale. Die Ebenen der Kohlenhydratreste weichen etwas von dieser Achse ab (zunächst gingen Watson und Crick davon aus, dass sie parallel dazu liegen).

Die Abbildung zeigt, dass das Kohlenhydratphosphat-Rückgrat des Moleküls nach außen zeigt. Die Spirale ist so verdreht, dass auf ihrer Oberfläche zwei unterschiedlich große Rillen (sie werden oft Rillen genannt) unterschieden werden können - eine große mit einer Breite von etwa 2,2 nm (22 A) und eine kleine mit einer Breite von etwa 1,2 nm (12A). Die Spirale ist rechtsdrehend. Die darin enthaltenen Polydesoxyribonukleotidketten sind antiparallel: Wenn wir uns entlang der Längsachse der Helix von einem Ende zum anderen bewegen, passieren wir in einer Kette Phosphodiesterbindungen in Richtung 3 "à5" und in der anderen in die 5 "à3 Richtung". Mit anderen Worten, an jedem der Enden eines linearen DNA-Moleküls befinden sich 5" Ende des einen und 3" Ende des anderen Strangs.

Die Regelmäßigkeit der Helix erfordert, dass ein Pyrimidinbasenrest in der anderen Kette gegenüber dem Purinbasenrest in einer Kette angeordnet ist. Wie bereits betont, wird diese Forderung in Form des Prinzips der Bildung komplementärer Basenpaare realisiert, dh die Reste von Adenin und Guanin in einer Kette entsprechen den Resten von Thymin und Cytosin in der anderen Kette (und umgekehrt) .

Somit bestimmt die Nukleotidsequenz in einem Strang des DNA-Moleküls die Nukleotidsequenz des anderen Strangs.

Dieses Prinzip ist die wichtigste Konsequenz des Watson- und Crick-Modells, da es in überraschend einfachen chemischen Begriffen die Hauptfunktion der DNA erklärt – die Hüterin der genetischen Information zu sein.

Zum Abschluss der Betrachtung des Watson- und Crick-Modells bleibt hinzuzufügen, dass benachbarte Paare von Basenresten in der DNA in der B-Form relativ zueinander um 36 ° gedreht sind (der Winkel zwischen den geraden Linien, die C1 "-Atome in benachbarten komplementären Paare).
4.1 Isolierung von Desoxyribonukleinsäuren
Lebende Zellen, mit Ausnahme von Spermien, enthalten normalerweise deutlich mehr Ribonukleinsäure als Desoxyribonukleinsäure. Die Methoden zur Isolierung von Desoxyribonukleinsäuren wurden stark von der Tatsache beeinflusst, dass, während Ribonukleoproteine ​​und Ribonukleinsäuren in einer verdünnten (0,15 M) Lösung von Natriumchlorid löslich sind, Desoxyribonukleoproteinkomplexe darin tatsächlich unlöslich sind. Dazu wird das homogenisierte Organ oder der Organismus gründlich mit verdünnter Kochsalzlösung gewaschen, aus dem Rückstand mit einer starken Kochsalzlösung Desoxyribonukleinsäure extrahiert, die dann durch Zugabe von Ethanol ausgefällt wird. Andererseits ergibt die Elution desselben Rückstands mit Wasser eine Lösung, aus der das Desoxyribonukleoprotein bei Zugabe von Salz ausfällt. Die Spaltung des Nukleoproteins, das im Grunde ein salzartiger Komplex zwischen mehrbasigen und mehrsauren Elektrolyten ist, wird leicht durch Auflösen in starker Kochsalzlösung oder Behandeln mit Kaliumthiocyanat erreicht. Der größte Teil des Proteins kann entweder durch Zugabe von Ethanol oder durch Emulgieren mit Chloroform und Amylalkohol entfernt werden (das Protein bildet mit Chloroform ein Gel). Auch die Behandlung mit Detergenzien war weit verbreitet. Später wurden Desoxyribonukleinsäuren durch Extraktion mit wässrigen n-Aminosalicylat-Phenol-Lösungen isoliert. Unter Verwendung dieser Methode wurden Desoxyribonukleinsäurepräparate erhalten, von denen einige Restproteine ​​enthielten, während andere praktisch frei von Proteinen waren, was darauf hindeutet, dass die Natur der Protein-Nukleinsäure-Bindung in verschiedenen Geweben unterschiedlich ist. Eine zweckmäßige Modifikation besteht darin, das Tiergewebe in 0,15 M Phenolphthaleindiphosphat zu homogenisieren, gefolgt von der Zugabe von Phenol, um DNA (frei von RNA) in guter Ausbeute auszufällen.

Desoxyribonukleinsäuren, egal wie sie isoliert werden, sind Mischungen von Polymeren mit verschiedenen Molekulargewichten, mit Ausnahme von Proben, die von einigen Arten von Bakteriophagen erhalten wurden.
4.2 Fraktionierung
Ein frühes Trennverfahren bestand in der fraktionierten Dissoziation von Desoxyribonukleoproteingelen (zB Nukleohiston) durch Extraktion mit wässrigen Lösungen von Natriumchlorid steigender Molarität. Auf diese Weise wurden Desoxyribonukleinsäurepräparate in eine Reihe von Fraktionen aufgetrennt, die durch unterschiedliche Verhältnisse des Gehalts an Adenin mit Thymin zu der Menge an Guanin mit Cytosin gekennzeichnet waren, und die an Guanin und Cytosin angereicherten Fraktionen wurden leichter isoliert. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der chromatographischen Trennung von Desoxyribonukleinsäure von Histon, adsorbiert an Diatomeenerde, unter Verwendung einer Gradientenelution mit Natriumchloridlösungen erhalten. In einer verbesserten Version dieses Verfahrens wurden gereinigte Histonfraktionen mit n-Aminobenzylcellulose kombiniert, um Diazobrücken aus den Tyrosin- und Histidingruppen des Proteins zu bilden. Ebenfalls beschrieben ist die Fraktionierung von Nukleinsäuren an methyliertem Serumalbumin (mit Kieselgur als Träger). Die Elutionsgeschwindigkeit von der Säule mit ansteigenden Kochsalzlösungen ist abhängig vom Molekulargewicht, der Zusammensetzung (Nukleinsäuren mit hohem Guaningehalt werden mit Cytosin leichter eluiert) und der Sekundärstruktur (denaturierte DNA wird stärker von der Säule zurückgehalten als einheimisch). Auf diese Weise wurde ein natürlicher Bestandteil, Polydesoxyadenylthymidylsäure, aus der DNA des Meereskrebses Cancer borealis isoliert. Die Fraktionierung von Desoxyribonukleinsäuren erfolgte ebenfalls mittels Gradientenelution aus einer mit Calciumphosphat gepackten Säule.

1. DNA-Funktionen

In einem DNA-Molekül wird die Aminosäuresequenz in Peptiden mit einem biologischen Code verschlüsselt. Jede Aminosäure wird durch eine Kombination von drei Nukleotiden kodiert, in diesem Fall werden 64 Tripletts gebildet, von denen 61 für Aminosäuren kodieren, und 3 sind bedeutungslos und fungieren als Satzzeichen (ATT, ACT, ATC). Die Verschlüsselung einer Aminosäure mit mehreren Tripletts wurde als Entartung des Triplettcodes... Wichtige Eigenschaften des genetischen Codes sind seine Spezifität (jedes Triplett kann nur eine Aminosäure codieren), Universalität (bezeugt die Einheit des Ursprungs allen Lebens auf der Erde) und nicht überlappende Codons beim Lesen.

DNA führt die folgenden Funktionen aus:

Die Speicherung von Erbinformationen erfolgt mit Hilfe von Histonen. Das DNA-Molekül faltet sich und bildet zuerst ein Nukleosom und dann Heterochromatin, aus dem Chromosomen bestehen;

die Übertragung von Erbmaterial erfolgt durch DNA-Replikation;

Realisierung von Erbinformationen im Prozess der Proteinsynthese.

Welche der oben genannten strukturellen und funktionalen Eigenschaften des DNA-Moleküls erlauben, erbliche Informationen von Zelle zu Zelle, von Generation zu Generation zu speichern und zu übertragen, um neue Kombinationen von Merkmalen in den Nachkommen bereitzustellen?

1. Stabilität... Es wird durch Wasserstoff-, Glykosid- und Phosphodiesterbindungen sowie einen Mechanismus zur Reparatur spontaner und induzierter Schäden bereitgestellt;

2. Replikationsfähigkeit... Dank dieses Mechanismus bleibt die diploide Chromosomenzahl in somatischen Zellen erhalten. Alle aufgeführten Merkmale der DNA als genetisches Molekül sind in der Abbildung schematisch dargestellt.

3. Das Vorhandensein des genetischen Codes... Die Basensequenz in der DNA wird durch Transkriptions- und Translationsprozesse in eine Aminosäuresequenz in der Polypeptidkette umgewandelt;
4. Genetische Rekombinationsfähigkeit... Dank dieses Mechanismus werden neue Kombinationen verknüpfter Gene gebildet.

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