Kemi

Proteiner och den genetiska koden


Från gen till protein

Hela informationen i en cell definieras som DNA i en sekvens av endast fyra nukleotider, som omvandlas till proteiner av 22 olika aminosyror i en komplicerad process med deltagande av en budbärarmolekyl.Tre nukleotider (en triplett eller kodon) kodar vardera för en specifik aminosyra, varvid vissa aminosyror kodas av flera olika kodon. Denna dogm om informationskryptering gäller för alla levande varelser, åtminstone om virus inte räknas till levande varelser – vissa virus har genom som är baserade på enkelsträngat DNA eller på RNA.

Förutom bara bygginstruktionerna för proteinerna innehåller DNA:t mycket mer information. På så sätt regleras det i varje cell exakt vid vilken tidpunkt hur många proteiner som bildas och vilka proteiner cellen egentligen behöver. Muskelceller syntetiserar helt andra proteiner än till exempel röda blodkroppar, som nästan uteslutande är specialiserade på produktion av hemoglobin.

Innan de komplexa processer som är involverade i transkription och translation förklaras mer i detalj, bör strukturen hos proteiner och aminosyrornas kemi först diskuteras här.


Dekryptering i ett provrör

Under perioden efter 1953, när James Watson och Francis Crick hade bestämt DNA-strukturen, och innan den genetiska koden helt dechiffrerades på 1960-talet, funderade forskare på hur en sekvens av nukleotider kunde översättas till en sekvens av aminosyror. Som i morsekoden kan vanliga aminosyror kodas med bara en enda nukleotid för att minimera genomstorleken. Snart ansågs emellertid, baserat på teoretiska överväganden, triplettkodning - tre nukleotider vardera står för en aminosyra - sannolikt.

De biokemiska experimenten av Marshall W. Nirenberg (1927-2010) och Heinrich Matthaei (född 1929) utplånade slutligen alla återstående spekulationer1): Biokemisten Marshall Nirenberg arbetade vid National Institutes of Health (NIH) sedan han tog sin doktorsexamen 1957 i Bethesda , Maryland med syftet att klargöra det molekylära flödet av information från DNA till protein. Heinrich Matthaei kom till Nirenberg i slutet av 1960 som DAAD-stipendiat. Två år yngre än Nirenberg hade Matthaei doktorerat från universitetet i Bonn och arbetat med proteinsyntes i växter. Han kom med önskan att syntetisera ett specifikt protein in vitro, "men jag var förstås medveten om att detta kan vara mycket viktigt för beviset på en genetisk kod" .2)

Nirenberg och Matthaei arbetade med cellfria system, det vill säga med ett extrakt från malda bakterier som innehåller de väsentliga cellkomponenterna som DNA, mRNA, ribosomer, enzymer konventionella kemiska analyser räckte inte till. I provröret tillsatte de mRNA, aminosyror och ATP till extraktet för att aktivera proteinsyntesen. De fällde ut det resulterande proteinet, filtrerade bort det och upptäckte den radioaktiva strålningen. Nirenberg och Matthaei använde till en början valin som en märkt aminosyra, radioaktiviteten visade sig sedan faktiskt i syrafällningen efter ett tag. Nu fortsatte de två att behandla detta system genom att lägga till enzymer med känd effekt: Ribonukleas (förstör RNA) avslutade proteinsyntesen omedelbart, deoxiribonukleas (förstör DNA) först efter någon inkubationsperiod.

Som ett resultat bygger DNA upp RNA: när DNA har förstörts kan RNA inte längre produceras och proteinsyntesen stannar gradvis. Vad som bara var ett antagande länge har nu bekräftats av Nirenberg och Matthaei i provröret: RNA och inte DNA orsakar inkorporering av aminosyror i proteiner. Genom att förinkubera med DNAas skapade de ett cellfritt testsystem där det tillsatta RNA:t fungerar som en budbärare för att orsaka proteinsyntes.


Information och sak på samma gång

Kompatibiliteten mellan dagens mRNA och proteiner skulle vara ett eko av den gamla och inte längre använda processen genom vilken informationen i mRNA ursprungligen översattes till proteiner. `` Du kan tänka på det som att baka kex: en person ber mig att baka kex i form av björnar. Det finns två sätt att förklara för mig vad hon vill ha”, illustrerar forskaren processen. & quot Hon kan antingen förklara för mig med hjälp av ett språk hur kakorna ska se ut, eller så ger hon mig en kakform i önskad form. & quot

Den första metoden används för att bygga proteiner idag. Det senare är dock den snabbare varianten som våra gener kan ha använt för flera miljoner år sedan för att transportera genetisk information. `` Detta är vad våra resultat indikerar. Men cookieinformation är inte bara information, det är också ett materiellt objekt”, fortsätter Zagrovic. Det är samma sak med informationen i våra gener – även de har en materiell grund. "Det är möjligt att ursprunget till den genetiska koden är kopplat till denna materiella grund", sa forskaren.

Max Perutz Labs vid Wien Biocenter är ett joint venture mellan Wiens universitet och det medicinska universitetet i Wien. Som utbildnings- och forskningsanläggning undervisas studenter här å ena sidan och aktuella frågor inom livsvetenskap å andra sidan. Laboratorierna är uppkallade efter Max Perutz, som inte bara vann Nobelpriset 1962 med sina rön om hemoglobinets struktur, utan också grundade molekylärbiologin.


Beskrivning Genetisk kod - egenskaper och betydelse

Vet du vilka egenskaper nästan alla organismer har gemensamma? Det är krypteringen av den genetiska informationen, den genetiska koden! I den här videon kommer du att se hur en DNA-sekvens, det vill säga en sekvens av nukleotider, blir ett protein, det vill säga en sekvens av vissa aminosyror. Känner du till exempel till termerna kodogen, kodon eller start- och stoppkodon? Du kommer också att lära dig mer om den genetiska kodens speciella egenskaper i den här videon.

Transkript Genetisk kod - egenskaper och betydelse

Hej! En bakterie och ett körsbärsträd har mer gemensamt än man kan tro vid första anblicken. Eftersom alla levande varelser från de minsta cellerna till de mest komplexa, har flercelliga organismer en sak gemensamt. Med några få undantag är din genetiska information krypterad på samma sätt. Denna kryptering kallas också för genetisk kod och jag skulle vilja förklara detta för dig nu. Du vet förmodligen att DNA först transkriberas till RNA och sedan översätts till protein. Proteinerna fyller sedan en mängd olika uppgifter i varje organism. Men exakt hur fungerar det när DNA bara består av fyra olika nukleotider och ett protein består av många aminosyror? Hur kan sekvensen av 20 aminosyror kodas i en sekvens av fyra olika nukleotider? Om varje nukleotid stod för en aminosyra kunde bara fyra aminosyror kodas i DNA. Med två kombinationer av nukleotider, såsom G-C eller A-G, finns det fyra till styrkan av två, det vill säga 16 möjliga aminosyror. Endast tre kombinationer i DNA:t som A-G-A eller T-C-G resulterar i fyra till styrkan av tre, dvs 64 möjliga aminosyror. Och man har faktiskt funnit att tre nukleotider i DNA, så kallade kodogener, eller i mRNA, kodonen eller tripletterna, motsvarar en aminosyra i proteinet. Vi kallar helheten av alla kodoner för den genetiska koden. Du kan se de 64 möjliga kodonen för mRNA:t i denna kodsol. Här kan du hitta nukleotiderna G, U, A och C i alla möjliga kombinationer av tre. Du kan också se vilka aminosyror kodonen motsvarar. Naturligtvis, eftersom endast 20 aminosyror tillverkas av människor, finns det många fler möjliga kodon än aminosyror. Därför beskrivs majoriteten av aminosyrorna av flera kodon. Så du har precis lärt känna en speciell egenskap hos den genetiska koden. Eftersom en aminosyra beskrivs av flera kodon är det inte möjligt att härleda DNA-sekvensen från en aminosyrasekvens. Den genetiska koden är degenererad eller överflödig. Har du märkt att en aminosyra ofta bestäms av de två första nukleotiderna i kodonet? Detta hittar du till exempel med aminosyran prolin, eftersom nukleotiderna för prolin alltid börjar med C-C. Den tredje nukleotiden i kodonet kan vara G, A, C eller U. Du hörde också i början att den genetiska koden är gemensam för alla organismer med några få undantag. Det gäller de enklaste organismerna som bakterier eller virus, ända upp till komplexa organismer som landväxter eller djur. Så den genetiska koden är också universell. Dessutom överlappar inte den genetiska koden, så att varje nukleotid i DNA:t endast förekommer i ett kodon av mRNA:t och därför endast används för att koda en aminosyra. I fallet med en överlappande kod skulle en bas användas i två eller till och med tre kodon. Dessutom är koden fri från kommatecken. Så det finns inga tecken som skulle indikera början eller slutet av ett kodon. Men hur avgörs var ett protein börjar och var det slutar? Detta bestäms av speciella kodon, nämligen av start- och stoppkodon. Sekvensen för startkodonet är A-U-G och den kodar även för aminosyran formylmetionin. Det finns tre stoppkodon: U-A-A, U-A-G och U-G-A. De kodar inte för någon aminosyra utan betyder bara att ett kedjebrott sker under proteinsyntesen på ribosomen. Nukleotidsekvensen från ett start- till ett stoppkodon kallas också en öppen läsram, eller ORF för kort. Om sekvensen för A-U-G-startkodonet uppträder i en ORF, inkorporeras aminosyran formylmetionin helt enkelt i proteinet. I den här videon har du att bakterier, växter och människor har en sak gemensamt. Nämligen krypteringen av den genetiska informationen, den genetiska koden. Den genetiska koden är inte bara universell, utan degenererad, inte överlappande och fri från kommatecken. Särskilda kodon, start- och stoppkodon, bestämmer var ett protein börjar och slutar. Hejdå.


Innehållsförteckning

Under första hälften av 1960-talet var det en viss konkurrens bland biokemister om att förstå den genetiska koden. Den 27 maj 1961 klockan 03.00 uppnådde den tyske biokemisten Heinrich Matthaei det avgörande genombrottet i Marshall Nirenbergs laboratorium med poly-U-experimentet: dechiffreringen av kodonet UUU för aminosyran fenylalanin. Detta experiment beskrivs av vissa genetiker som det viktigaste på 1900-talet. 1966, fem år efter att det första kodonet hade dechiffrerats, dechiffrerades den genetiska koden fullständigt med alla 64 bastripletter.

Genetisk information för strukturen av proteiner finns i vissa sektioner av nukleinsyrors bassekvens. Omskrivet (transkriberat) från DNA till RNA, blir det tillgängligt för biosyntes av proteiner. Bassekvensen i den öppna läsramen avläses på ribosomen och översätts till aminosyrasekvensen för den syntetiserade peptidkedjan, den primära strukturen av ett protein, enligt den genetiska koden. Bassekvensen läses steg för steg, delas upp i grupper om tre, och varje triplett tilldelas ett matchande tRNA laddat med en specifik aminosyra. Aminosyran är kopplad till den föregående genom peptidbindning. På detta sätt kodar sekvenssegmentet för protein.

som Codon en beskriver variationsmönstret för en sekvens av tre nukleobaser av mRNA, en bastriplett som kan koda för en aminosyra. Det finns totalt 4 3 = 64 möjliga kodon, varav 61 kodar för de 20 kanoniska av de proteinogena aminosyrorna, de återstående tre är så kallade stoppkodon för terminering av translation. Under vissa omständigheter kan dessa användas för att koda för ytterligare två icke-kanoniska aminosyror. Det betyder att det finns flera olika kodningar för nästan alla aminosyrorna, de flesta väldigt lika. Kodning som en triplett är nödvändig i den mån en dubblettkodning skulle resultera i endast 4 2 = 16 möjliga kodon, vilket betyder att det inte skulle finnas tillräckligt med möjligheter för de tjugo kanoniska eller standardaminosyrorna.

* Tripletten av AUG-kodonet för metionin fungerar också som startsignal för translation. En av de första AUG-tripletterna på mRNA:t blir det första kodonet som avkodas. Vilket AUG som startkodon för tRNAi Om Met ska användas känner ribosomen igen signaler från den angränsande mRNA-sekvensen.
Tripletten av stoppkodonet UGA betjänar också z. B. hos människor under vissa förhållanden även som kodon för den (21:a proteinogena) aminosyran selenocystein.

De angivna kodonen gäller nukleotidsekvensen för ett mRNA. Den läses i 5 '→ 3'-riktningen på ribosomen och översätts till aminosyrasekvensen för en polypeptid.

Inverterad kodontabell
Az SOM SOM Codon
1 Börja & gt AUG
1 Mjöd M. AUG
1 Trp W. UGG
1 Sec U (UGA)
1 Pyl O (UAG)
2 Tyr Y UAU UAC
2 Phe F. UUU UUC
2 Cys C. UGU UGC
2 Asn N AAU AAC
2 Asp D. GAU GAC
2 Gln F CAA CAG
2 Glu E. GAA GAG
2 Hans H CAU CAC
2 Lys K AAA AAG
3 Ile jag. AUU AUC AUA
4 Gly G GGU GGC GGA GGG
4 Ala A. GCU GCC GCA GCG
4 Val V GUU GUC GUA GUG
4 Thr T ACU ACC ACA ACG
4 Per P. CCU CCC CCA CCG
6 Leu L. CUU CUC CUA CUG UUA UUG
6 Ser S. UCU UCC UCA UCG AGU AGC
6 Arg R. CGU CGC CGA CGG AGA AGG
3 sluta & lt UAA UAG UGA

Översättningen börjar med ett startkodon. Vissa initieringssekvenser och faktorer är emellertid också nödvändiga för att åstadkomma bindningen av mRNA till en ribosom och för att starta processen. Detta inkluderar också en speciell initiator tRNA, som bär den första aminosyran. Det viktigaste startkodonet är AUG, som kodar för metionin. ACG och CUG - såväl som GUG och UUG i prokaryota celler - kan också fungera som startkodon, men med mindre effektivitet. Den första aminosyran är mestadels a - i bakterier och i mitokondrier N-formylerad - metionin. [1]

Översättningen avslutas med ett av de tre stoppkodonen, även kallade termineringskodon. Till en början fick dessa kodon också namn - UAG är bärnsten (bärnsten), UGA är opal (opal), och UAA är ockra (ocher) (en pjäs om efternamnet till dess upptäckare Harris Bernstein).

Medan kodonet UGA mest används som sluta läses kan det sällan och endast under vissa förhållanden stå för en 21:a (proteinogen) aminosyra: selenocystein (Sec). Biosyntesen och mekanismen för inkorporering av selenocystein i proteiner skiljer sig mycket från den för alla andra aminosyror: dess insättning kräver ett nytt translationssteg där en UGA tolkas annorlunda inom en viss sekvensmiljö och tillsammans med vissa kofaktorer. Detta kräver också ett strukturellt unikt tRNA (tRNA Sec) avsett för selenocystein, som hos ryggradsdjur även kan laddas med två kemiskt besläktade aminosyror: förutom selenocystein även serin eller fosfoserin.

Vissa arkéer och bakterier kan också översätta ett kanoniskt stoppkodon UAG till en annan (22:a) proteinogen aminosyra: pyrrolysin (Pyl). De har en speciell tRNA Pyl och ett specifikt enzym för att ladda dem (pyrrolysyl-tRNA syntetas).

Vissa korta DNA-sekvenser förekommer sällan eller inte alls i arvsmassan hos en art (nullomerer). I bakterier visar sig några av dessa vara giftiga, inklusive kodonet AGA, som kodar för aminosyran arginin, undviks i bakterier (istället används CGA). [2] Det finns artspecifika skillnader i användningen av kodon. [3] Skillnader i användningen av kodoner betyder inte nödvändigtvis skillnader i frekvensen av aminosyror som används. För för de flesta av aminosyrorna finns det mer än ett enda kodon, som tabellen ovan visar.

Om en viss aminosyra ska kodas kan man ofta välja mellan flera kodon med samma betydelse. Den genetiska koden är en kod där flera uttryck har samma betydelse, det vill säga samma semantiska enhet kan kodas med olika syntaktiska symboler. I jämförelse med ett kodningssystem där varje semantisk enhet motsvarar ett syntaktisk uttryck och vice versa, kallas en sådan kod degenererad.

Det är fördelaktigt att mer än 60 kodon är tillgängliga för de cirka 20 aminosyrorna som skall inkorporeras translationellt. De representeras var och en som en kombination av tre nukleotider med fyra möjliga baser vardera, så att det finns 64 kombinationer. Deras tilldelning till en aminosyra är sådan att mycket liknande kodonvariationer kodar för en specifik aminosyra. På grund av den genetiska kodens feltolerans räcker det ofta med två nukleotider för att tillförlitligt identifiera en aminosyra. [4]

Bastripletterna som kodar för en aminosyra skiljer sig vanligtvis endast i en av de tre baserna de har minsta avstånd i kodutrymmet, se Hamming-avstånd eller Levenshtein-avstånd. Mestadels skiljer sig trillingar i den tredje basen, "wobble", som med största sannolikhet blir feltolkad i översättningar (se "wobble"-hypotesen). [5] Aminosyror som ofta krävs för proteinsyntes representeras av fler kodoner än vad som sällan används. En djupare analys av den genetiska koden avslöjar ytterligare samband, till exempel med avseende på molvolymen och den hydrofoba effekten (se figur).

Det är också anmärkningsvärt att basen i mitten av en triplett till stor del kan indikera karaktären hos den tilldelade aminosyran: Så i fallet med _ U _ är den hydrofob, men hydrofil i fallet med _ A _. Med _ C _ är den opolär eller polär utan laddning, de med laddade sidokedjor förekommer med _ G _ samt med _ A _, med negativ laddning endast med _ A _ (se tabell ovan). Därför är radikalsubstitutioner - utbytet av aminosyror av annan karaktär - ofta resultatet av mutationer i den andra positionen. Mutationer i den tredje positionen ("wobble"), å andra sidan, bevarar ofta respektive aminosyra eller åtminstone dess karaktär som en konservativ substitution. Eftersom övergångar (omvandling av puriner eller pyrimidiner till varandra, t.ex. C → T) sker oftare än transversioner (omvandling av en purin till en pyrimidin eller vice versa, denna process kräver vanligtvis depurinering) av mekanistiska skäl, finns det en ytterligare förklaring till kodens konservativa egenskaper.

Tvärtemot tidigare antaganden är den första kodonpositionen ofta viktigare än den andra positionen, [6] förmodligen eftersom förändringar i den första positionen enbart kan vända laddningen (från en positivt laddad till en negativt laddad aminosyra eller vice versa). En laddningsomkastning kan dock få dramatiska konsekvenser för proteinfunktionen. Detta förbises i många tidigare studier.

Den så kallade degenereringen av den genetiska koden gör det också möjligt att lagra den genetiska informationen mindre känslig för yttre påverkan. Detta gäller särskilt med avseende på punktmutationer, både för synonymer Mutationer (som leder till samma aminosyra) samt för icke-synonymer Mutationer som leder till aminosyror med liknande egenskaper. [7]

Uppenbarligen, tidigt i evolutionens historia, var det till hjälp att minska känsligheten hos kodningen för felaktigt bildade kodoner. Ett proteins funktion bestäms av dess struktur. Detta beror på den primära strukturen, sekvensen av aminosyrorna: hur många, vilka och i vilken ordning som är länkade för att bilda en peptidkedja. Denna information innehåller bassekvensen som genetisk information. En ökad feltolerans för kodningen säkerställer korrekt avkodning. Om en aminosyra med liknande karaktär införlivas i fel, förändrar detta proteinfunktionen mindre än om det vore en helt annan karaktär.

Användningen av ordet "kod" går tillbaka till Erwin Schrödinger, som använde termerna "ärftlig kodskrift", "kromosomkod" och "miniatyrkod" i en serie föreläsningar 1943, som han sammanfattade 1944 och använde som grunden för hans bok "Vad är liv?"Från 1944. [8] Den exakta platsen eller fordonet för detta Koder var fortfarande oklart vid denna tidpunkt.

Förr trodde man att den genetiska koden kom till av en slump. 1968 beskrev Francis Crick det fortfarande som en "frusen tillfällighet". [9] [10] Det är dock resultatet av strikt optimering när det gäller feltolerans. [11] [12] Fel är särskilt allvarliga för den rumsliga strukturen av ett protein om hydrofobiciteten hos en felaktigt inkorporerad aminosyra skiljer sig markant från originalet. I samband med en statistisk analys visar sig endast 100 av en miljon slumpmässiga koder vara bättre än den riktiga. Om ytterligare faktorer beaktas vid beräkning av feltolerans, som motsvarar typiska mönster av mutationer och läsfel, reduceras detta antal till och med till 1 på 1 miljon. [13]

Grundläggande principredigering

Det är anmärkningsvärt att den genetiska koden i princip är densamma för alla levande varelser, så alla levande varelser använder samma "genetiska språk". [14] Inte bara att genetisk information alltid finns i sekvensen av nukleinsyror och att den alltid läses i tripletter för proteiners struktur. Med några få undantag står ett visst kodon för samma aminosyra, standardkoden återger den vanliga användningen. Det är därför möjligt inom genteknik, för. B. att smuggla in genen för humaninsulin till bakterier så att de sedan producerar hormonet protein insulin. Denna gemensamma grundläggande princip för kodning, som delas av alla organismer, är känd som "kodens universalitet". Evolutionen kan förklara att den genetiska koden bildades mycket tidigt i livets utvecklingshistoria och sedan fördes vidare av alla arter under utveckling. En sådan generalisering utesluter inte möjligheten att frekvensen av olika kodord kan skilja sig åt mellan organismerna (se Kodonanvändning).

Redigera varianter

Dessutom finns det också olika varianter som avviker från standardkoden, där ett fåtal kodon översätts till en annan aminosyra än den som anges i #standardkodontabellen. Vissa av dessa avvikelser kan begränsas taxonomiskt så att speciella koder kan definieras. På detta sätt är nu över trettio varianter av genetiska koder differentierade. [15]

I eukaryota celler visar de organeller som har sitt eget genomsystem och antagligen härstammar från symbiotiska bakterier (endosymbiotisk teori) sina egna varianter av den genetiska koden. I mitokondrier, deras eget DNA (mtDNA, mitogenom syn. Kondriom) över tio modifierade former mitokondriella koder känd. Dessa skiljer sig från kärnkraftskod för det genetiska materialet i kärnan, kärngenomet (Karyom). Dessutom har de plastider som också förekommer i växtceller sin egen kod för sitt plastid-DNA (cpDNA, Plastome).

Ciliatdjuren (Ciliophora) visar också avvikelser från standardkoden: UAG, ofta även UAA, kod för glutamin.Denna avvikelse finns även hos vissa grönalger. UGA står ibland också för cystein. En annan variant finns i jäst Candidadär CUG kodar för serin.

Dessutom finns det vissa varianter av aminosyror som inte bara kan inkorporeras av bakterier (bakterier) och Archaea (Archaea) under translation genom att omkoda så att UGA, som beskrivits ovan, kan koda för selenocystein och UAG pyrrolysin, i standardkoden både stopp -Codons.

Dessutom är ytterligare avvikelser från standardkoden kända, som ofta hänför sig till initiering (start) eller avslutning (stopp), speciellt i mitokondrier, den vanliga aminosyran tilldelas ofta inte ett kodon (bastriplett av mRNA). Följande tabell visar några exempel:

Avvikelser från standardkoden
Förekomst Codon standard avvikelse
Mitokondrier (i alla organismer som hittills undersökts) UGA sluta Tryptofan
däggdjurs mitokondrier, Drosophila och S. cerevisiae och protozoer AUA Isoleucin Metionin = start
Däggdjurs mitokondrier AGC, AGU Serine sluta
Däggdjurs mitokondrier AG (A, G) Arginin sluta
Mitokondrier från Drosophila AGA Arginin sluta
Mitokondrier z. Fladdermus Saccharomyces cerevisiae CU (U, C, A, G) Leucin Treonin
Mitokondrier av högre växter CGG Arginin Tryptofan
Vissa arter av släktet svamp Candida CUG Leucin Serine
Eukarya (Sällsynt) CUG Leucin Börja
Eukarya (Sällsynt) ACG Treonin Börja
Eukarya (Sällsynt) GUG Valine Börja
Bakterie GUG Valine Börja
Bakterie (Sällsynt) UUG Leucin Börja
Bakterie (SR1-bakterier) UGA sluta Glycin [16]

DNA-sekvensdatabaser som GenBank tillhandahåller också mRNA-sekvenser i ett format som överensstämmer med historiska konventioner, där DNA-alfabetet används, dvs T står för U. Exempel: [15]

  • Standardkod (= id)
    Mitokondriell kod
    Mitokondriell kod
    Mitokondriell kod
    , Archaea och Plastid Code

Obs: I den första raden "AS" anges aminosyrorna i enbokstavskoden (se #tabell med omvänd kodon), med avvikelser från standardkoden (id) i fetstil (eller rött). I den andra raden "Starts" visar M Initiering, * Avslutande vissa varianter skiljer sig endast med avseende på (alternativa) startkodon eller stoppkodon. Ytterligare koder finns i den fritt tillgängliga källan. [15]

Konceptet med utvecklingen av den genetiska koden från den ursprungliga och tvetydiga genetiska koden till den väldefinierade ("frysta") koden med repertoaren av 20 (+2) kanoniska aminosyror är allmänt accepterat. [17] Det finns dock olika åsikter och idéer om hur dessa förändringar skedde. Baserat på dessa föreslås till och med modeller som förutsäger "ingångspunkter" för invasionen av den genetiska koden med syntetiska aminosyror. [18]


Liknande frågor

Hej vänner, jag avslutar min gymnasieexamen i bio den 3 februari och håller på att bekanta mig med genetik. Kan någon förklara för mig vad operonmodellen är och hur den relaterar till DNA, genetisk kod, proteinbiosyntes, muationer och DNA. Om möjligt i ett enkelt språk och få tekniska termer. Tack på förhand.

har olika uppgifter här och jag är inte säker på om de verkligen är rätt. Det skulle vara riktigt trevligt om någon kunde se över det väldigt snabbt (ämne: genetisk kod).

a) Kontrollera hur DNA-sekvensen för följande aminosyrasekvens kan se ut:
Met - Gly - Ala - Asn - Val - Val - Cys - Leu - Thr

b) Koden överlappar inte, dvs trillingarna läses efter varandra.

c) En viss kod översätts till samma aminosyra i nästan alla organismer. Man talar därför om en överlappning.

d) Genom att kombinera tre baser är totalt 64 kombinationer möjliga. Eftersom endast 23 krävs är de återstående 41 stoppkodon.

kan någon berätta för mig hur man beräknar denna uppgift?. (Lösning + förklaring skulle vara bra)

Cytosinhalten i en Coli-DNA dubbelhelix är 31%. Beräkna innehållet av de andra baserna i detta DNA.

Tack på förhand

Varför har genmutationer där en nukleotidbas byts ofta ingen effekt på utvecklingen av egenskaper

Hej . Grisar har en insulinsekvens av -Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys- och nötkreatur -Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-

Men hur tar jag mig från insulinsekvensen till det kodade m-RNA och DNA?

Jag har suttit vid den här frågan i 1,5 timme, hoppas du kan hjälpa mig:D

Jag inser att DNA är som ett datalager eller något. Men exakt hur fungerar det? Hur kan DNA lagra denna information?

Jag har letat överallt men jag förstår bara inte sammanhanget. Kan någon snälla förklara det för mig, jag har suttit vid mitt skrivbord i en halv evighet och kan bara inte komma längre för jag förstår inte!

Jag håller just nu på att göra mina läxor och det finns en uppgift vad skillnaden mellan dessa två modeller är.
vore kul om någon svarade snabbt.

Hej, jag håller på med ekologiska läxor och jag behöver hjälp med denna uppgift: Förklara sambandet mellan DNA:ts bassekvens och aminosyrakedjan i blodpigmentet.

Jag är bekant med gelelektroforesprocessen, men jag förstår inte vad det är användbart att ha när man har tagit reda på längden på de olika DNA-bitarna och vad det har med det genetiska fingeravtrycket att göra

Frågan är, vad är skillnaden?

Jag fick följande uppgift: Ärftlig information om det ovikta DNA:t kan bara läsas efter att det har vecklats ut.

a: Beskriv hur DNA:t är förpackat
b: Förklara varför strängen viks ut så noggrant


Proteinsyntes

Som du säkert vet lagras den genetiska informationen om levande varelser i deras DNA. Genauer gesagt wird die Ausprägung verschiedenster Merkmale eines Lebewesens (wie zum Beispiel die Farbe deiner Augen) durch bestimmte DNA-Abschnitte bestimmt. Diese DNA-Abschnitte nennt man Gene. Die Basenfolge dieses DNA-Abschnitts bildet eine Art „Bauplan“ für ein ganz bestimmtes Enzymprotein. Dieses Enzymprotein steuert dann verschiedene Reaktionen im Körper, die zu der Ausprägung eines Merkmals führen.

Wie anhand der Basenfolge der DNA ein Protein entsteht, beschreibt die Proteinbiosynthese. Sie besteht aus zwei Phasen: Transkription, das „Umschreiben“ der genetischen Information in ihre Transportform und Translation, das „Übersetzen“ der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins.

Abb. 1: Umsetzung genetischer Information

aus: STARK: Abitur-Training - Biologie Band 1, S.71

Wie genau die Abfolge von Basen in der DNA den Aufbau eines Proteins bestimmt und wie du die Codesonne benutzt, erfährst du im Folgenden.

!! Zum Verständnis dieses Artikels kann es hilfreich sein, wenn du dein Wissen zum DNA Aufbau und zur RNA auf StudySmarter auffrischt !!


Proteine und der genetische Code - Chemie und Physik

Die Herstellung synthetischer Proteine spielt eine wichtige Rolle für Wirtschaft und Wissenschaft. Durch den Einbau künstlicher Aminosäuren in Proteine (genetisches Code Engineering) können deren vorhandene Eigenschaften gezielt verbessert werden. Sogar neue biologische Funktionen können entstehen. Jetzt ist Forschern am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München ein weiterer wichtiger Schritt in diesem Bereich gelungen: Zum ersten Mal konnten sie in einem einzigen Experiment drei verschiedene synthetische Aminosäuren gleichzeitig in ein Protein einbauen. (Angewandte Chemie, 24.06.2010).

Proteine (Eiweiße) sind die Hauptakteure in unserem Körper: Sie transportieren Stoffe, übermitteln Botschaften oder führen als molekulare Maschinen lebenswichtige Prozesse aus. Die „Steuermänner der Zelle“ werden aus Aminosäuren aufgebaut, deren Abfolge bereits in der Erbinformation festgelegt ist. Die Übersetzung dieser Information während der Bildung von Proteinen (Proteinbiosynthese) wird durch den genetischen Code bestimmt. 20 Aminosäuren bilden den Standardsatz, aus dem Proteine gebildet werden. In der Natur jedoch treten mehrere hundert verschiedene Aminosäuren auf und selbstverständlich können neue Aminosäuren auch im Labor hergestellt werden. Deren Eigenschaften unterscheiden sich von denen der 20 Standard-Aminosäuren, weshalb durch ihren Einbau in Proteine bestimmte strukturelle und biologische Charakteristika des Proteins gezielt verändert werden können. Bisher konnte im Rahmen eines Experiments lediglich ein Typ synthetische Aminosäure in das Protein eingesetzt und somit immer nur eine Eigenschaft modifiziert werden.

Jetzt ist Nediljko Budisa, Leiter der Forschungsgruppe Molekulare Biotechnologie am MPIB, ein wichtiger methodischer Fortschritt auf dem Gebiet des genetischen Code Engineerings gelungen. Die Wissenschaftler konnten in einem einzigen Experiment gleichzeitig drei verschiedene natürliche Aminosäuren durch künstliche ersetzen. „Das Gebiet des genetischen Code-Engineerings und der Code-Erweiterung erreicht damit eine neue Entwicklungsphase“, freut sich der Biochemiker.

Vor allem für Industrie und Wirtschaft könnte Budisas Methode von großer Bedeutung sein, denn die Herstellung künstlicher Proteine durch genetisches Code Engineering stellt aus Sicht der Forscher eine solide Basis für die Entwicklung neuer Technologien dar. „Beim Einbau übertragen die synthetischen Aminosäuren ihre Eigenschaften auf die Proteine. Deshalb rückt die Erschließung völlig neuer Produktklassen, deren chemische Synthese bislang – durch konventionelles Protein Engineering unter Verwendung der 20 Standard-Aminosäuren – nicht möglich war, in greifbare Nähe“, so Budisas Ausblick. „Dank unserer Methode könnten in Zukunft auch industriell relevante Proteine mit neuartigen Eigenschaften maßgeschneidert werden: etwa solche, die medizinische Wirkstoffe enthalten.“ [UD]

Originalveröffentlichung:
S. Lepthien, L. Merkel, N. Budisa: In vivo double and triple labeling of proteins using synthetic amino acids. Angewandte Chemie, 24.06.2010.

Kontakt:
Dr. Nediljko Budisa
Molekulare Biotechnologie
Max-Planck-Institut für Biochemie
Am Klopferspitz 18
82152 Martinsried
E-mail: [email protected]

Anja Konschak
Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Biochemie
Am Klopferspitz 18
82152 Martinsried
Tel. ++49/89-8578-2824
E-mail: [email protected]
www.biochem.mpg.de

Weitere Informationen:

Merkmale dieser Pressemitteilung:
Biologie, Chemie, Medizin, Wirtschaft
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch

<
Zum ersten Mal konnten drei Aminosäuren eines Proteins gleichzeitig in einem Experiment verändert we .
Grafik: Nediljko Budisa / Copyright: Max-Planck-Institut für Biochemie
None


Universalität des Codes

Grundprinzip

Bemerkenswert ist, dass der genetische Code im Prinzip bis auf wenige Ausnahmen für alle Lebewesen gleich ist, alle Lebewesen sich also der gleichen „genetischen Sprache“ bedienen. Da ein bestimmtes Codon immer für dieselbe Aminosäure steht, ist es möglich, in der Gentechnik z.B. das Gen für menschliches Insulin in Bakterien einzuschleusen, damit diese dann Insulin produzieren. Dieses Prinzip wird als „Universalität des Codes“ bezeichnet. Dies erklärt sich aus der Evolution so, dass der genetische Code schon sehr früh in der Entwicklungsgeschichte des Lebens ausgestaltet und dann an alle sich entwickelnden Arten weitergegeben wurde. Eine solche Generalisierung schließt nicht aus, dass sich die Häufigkeit verschiedener Codewörter (das sogenannte Codon Usage) zwischen den Organismen unterscheiden kann.

Ausnahmen

Es gibt auch Ausnahmen von der Universalität des genetischen Codes: So wird in den Mitochondrien (den energieumsetzenden Organellen der Zelle), die vermutlich von symbiotischen Bakterien abstammen (Endosymbionten-Theorie), und die eine eigene Erbsubstanz (neben der DNA des Zellkerns) enthalten, eine leicht abgewandelte Form des Codes benutzt.

Auch die Ciliaten zeigen Abweichungen vom Standard-Code: UAG, und häufig auch UAA, kodieren für Glutamin diese Abweichung findet sich auch in einigen Grünalgen. UGA steht auch manchmal für Cystein. Eine weitere Variante findet sich in der Hefe Candida, wo CUG Serin kodiert.

Des Weiteren gibt es einige Varianten von Aminosäuren, die von Bakterien (Bacteria) und Archaeen (Archaea) verwendet werden das Stop-Codon UGA kann, wie oben beschrieben, Selenocystein und UAG Pyrrolysin kodieren. Es ist nicht auszuschließen, dass weitere Kodierungs-Varianten existieren, die bislang noch nicht entdeckt wurden.

Zurzeit sind 16 Abweichungen der Zuordnung einer Aminosäure zu einem Codon (Basentriplett der mRNA) vom Standard-Code bekannt:


Genetischer Code

Als genetischer Code wird die Weise bezeichnet, mit der die Nukleotidsequenz eines RNA-Einzelstrangs in die Aminosäurensequenz der Polypeptidkette eines Proteins übersetzt wird. In der Zelle geschieht dies, nachdem zuvor die in der Abfolge von Basenpaaren des DNA-Doppelstrangs niedergelegte Erbinformation in die Sequenz des RNA-Einzelstrangs (Boten- oder Messenger-Ribonukleinsäure, mRNA) umgeschrieben wurde.

Dieser genetische Code ist bei allen bekannten Arten von Lebewesen in den Grundzügen gleich. Er ordnet einem Triplett von drei aufeinanderfolgenden Nukleobasen der Nukleinsäuren – dem sogenannten Codon – jeweils eine bestimmte proteinogene Aminosäure zu. Die Übersetzung, Translation genannt, findet an den Ribosomen im Zytosol einer Zelle statt. Sie bilden nach Vorgabe der Sequenz von Nukleotiden einer mRNA die Sequenz von Aminosäuren eines Peptids, indem jedem Codon über das Anticodon einer Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA) eine bestimmte Aminosäure zugewiesen und diese mit der vorherigen verbunden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmte vorgegebene Information in die Form einer Peptidkette überführt, die sich dann zur besonderen Form eines Proteins faltet.

Je komplexer Lebewesen jedoch sind, desto höher scheint der Anteil genetischer Information zu sein, der nicht in Proteine übersetzt wird. Ein beträchtlicher Teil an nicht-codierender DNA wird zwar in RNAs transkribiert, aber nicht per Translation in eine Peptidkette übersetzt. Zu diesen nicht für Protein codierenden RNA-Spezies des Transkriptoms gehören neben den für die Translation erforderlichen tRNAs und ribosomalen RNAs (rRNA) eine Reihe weiterer, meist kleiner RNA-Formen. Diese dienen in vielfältiger Weise der Regulation verschiedener zellulärer Prozesse – so der Transkription selbst, wie auch der möglichen Translation, außerdem einer eventuellen DNA-Reparatur, und darüber hinaus besonderen epigenetischen Markierungen von DNA-Abschnitten sowie u. a. verschiedenen Funktionen des Immunsystems.

Die Transfer-Ribonukleinsäuren, tRNAs, enthalten an prominenter Stelle einer Schleife des kleeblattähnlichen Moleküls ein kennzeichnendes Nukleotid-Triplett, das sie voneinander unterscheidet. Es besteht jeweils aus drei Nukleotiden, die den Nukleotiden eines bestimmten Codons entsprechen, indem sie komplementär zu diesen sind und so ein dreigliedriges Anticodon bilden. Codon und Anticodon passen basenpaarend zueinander und ihnen ist die gleiche spezifische Aminosäure zugeordnet. Eine tRNA wird jeweils mit derjenigen Aminosäure beladen, für die das zu ihrem Anticodon passende Codon steht. Auf diese Weise, durch die spezifische Bindung einer Aminosäure an eine tRNA mit einem bestimmten Anticodon, wird also das Zeichen für eine bestimmte Aminosäure, das Codon, in die genetisch codierte Aminosäure übersetzt.

Streng genommen ist der genetische Code also schon in der Struktur der verschiedenen tRNA-Arten enthalten: Denn ein jedes tRNA-Molekül enthält eine derart strukturierte Aminosäure-Bindungsstelle, dass daran nur jene Aminosäure gebunden wird, die seinem Anticodon nach dem genetischen Code entspricht. Nach Bindung an ihre tRNA steht eine Aminosäure für die Biosynthese von Proteinen am Ribosom zur Verfügung, sodass sie als nächstes Glied der Polypeptidkette angefügt werden kann – falls das Anticodon der tRNA zu einem Codon in der vorgegebenen Nukleotidsequenz der mRNA passt.

Als Voraussetzung für diese Proteinsynthese muss der DNA-Abschnitt eines Gens zunächst in eine Ribonukleinsäure (RNA) umgeschrieben werden (Transkription). Dabei können in eukaryoten Zellen bestimmte Teile dieser hnRNA gezielt entfernt (Spleißen) oder danach verändert werden (RNA-Editing) anschließend wird diese vorläufige prä-mRNA weiter prozessiert zur definitiven mRNA, die schließlich aus dem Zellkern exportiert wird. Denn erst an den Ribosomen, die frei im Zytosol vorliegen können oder an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind, werden anhand der mRNA-Vorlage dann die Aminosäuren der zu den Codons passenden tRNAs miteinander zu einem Polypeptid verknüpft.

Dieser Vorgang, mit dem die Information eines Gens in der Form eines Proteins ausgedrückt wird (Genexpression), ergibt sich somit aus einer Folge von Schritten. Hierbei werden die Hauptprozesse unterschieden als (1) Transkription – ein Abschnitt der DNA des Genoms wird durch RNA-Polymerase in RNA umgeschrieben – und (2) posttranskriptionale Modifikation – eine RNA des Transkriptoms wird verändert – sowie (3) Translation – eine mRNA wird am Ribosom in ein Polypeptid übersetzt. Daran kann sich (4) noch eine posttranslationale Modifikation anschließen – ein Polypeptid des Proteoms wird verändert. Im Ablauf dieser Prozesse bis hin zur Bereitstellung eines funktionstragenden Proteins ist die Translation also der Schritt, in dem die genetische Information der Basentriplett-Abfolge in eine Aminosäure-Abfolge umgesetzt wird.

Die eigentliche Anwendung des genetischen Codes, nämlich die Übersetzung einer Nukleotidsequenz in eine Aminosäure anhand des Codons beziehungsweise des Anticodons, findet schon bei der Bindung einer Aminosäure an ihre tRNA durch die jeweilige Aminoacyl-tRNA-Synthetase statt, also bei der Vorbereitung der Aminosäuren für ihren möglichen Zusammenbau in einem Protein. Einige wenige Basentripletts codieren nicht für eine Aminosäure. Insofern sie in diesem Sinn keine Bedeutung tragen, werden sie auch Nonsens-Codons genannt diese führen bei der Translation zu einem Stop, der die Proteinsynthese beendet, und heißen daher auch Stopcodons.

Alle Lebewesen benutzen in Grundzügen denselben genetischen Code. Die wohl am häufigsten gebrauchte Version ist in den folgenden Tabellen angegeben. Sie zeigen für diesen Standard-Code, welche Aminosäuren von einem der 4 3 = 64 möglichen Codons gemeinhin codiert werden, bzw. welches Codon in eine der 20 kanonischen Aminosäuren übersetzt wird. So steht zum Beispiel das Codon GAU für die Aminosäure Asparaginsäure (Asp), und Cystein (Cys) wird von den Codons UGU und UGC codiert. Die in der Tabelle angegebenen Basen sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U) der Ribonukleotide der mRNA in den Nukleotiden der DNA tritt dagegen Thymin (T) anstelle von Uracil auf. Bei der Transkription eines DNA-Abschnitts dient einer RNA-Polymerase der codogene Strang als Matrize für das Transkript: die DNA-Basensequenz wird basenpaarend in die komplementäre RNA-Basensequenz umgeschrieben beim Aufbau eines RNA-Strangs. Damit wird auf die in DNA vererbbar abgelegte genetische Information zugegriffen, die dann in mRNA für die Proteinbiosynthese zur Verfügung steht.


Video: BELJAKOVINE V PREHRANI (December 2021).