Код спадкової інформації. Біосинтез білка і нуклеїнових кислот
ГЕНЕТИЧНИЙ КОД, система запису спадкової інформації у вигляді послідовності основ нуклеотидів в молекулах ДНК (у деяких вірусів - РНК), яка визначає первинну структуру (розташування амінокислотних залишків) в молекулах білків (поліпептидів). Проблема генетичного коду була сформульована після докази генетичної ролі ДНК (американські мікробіологи О. Ейвері, К. Мак-Леод, М. Маккарті, 1944) і розшифровки її структури (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953), після встановлення того, що гени визначають структуру і функції ферментів (принцип «один ген - один фермент» Дж. Бідла і Е. Тейтема, 1941) і що існує залежність просторової структури і активності білка від його первинної структури (Ф. Сенгер, 1955). Питання про те, як комбінації з 4 підстав нуклеїнових кислот визначають чергування 20 звичайних амінокислотних залишків в поліпептидах, вперше поставив Г. Гамов в 1954 році.
На підставі експерименту, в якому досліджували взаємодії вставок і випадінь пари нуклеотидів, в одному з генів бактеріофага Т4 Ф. Крик і інші вчені в 1961 році визначили загальні властивості генетичного коду: триплетність, т. Е. Кожному амінокислотним залишком в поліпептидного ланцюга відповідає набір з трьох підстав (триплет, або кодон) в ДНК гена; зчитування кодонів в межах гена йде з фіксованою точки, в одному напрямку і «без ком», тобто кодони не відокремлені будь-якими знаками один від одного; вирожденність, або надмірність, - один і той же амінокислотний залишок можуть кодувати кілька кодонів (кодони-синоніми). Автори припустили, що кодони не перекриваються (кожна підстава належить тільки одному кодону). Пряме вивчення кодує здатності триплетів було продовжено з використанням бесклеточной системи синтезу білка під контролем синтетичної матричної РНК (мРНК). До 1965 року генетичний код був повністю розшифрований в роботах С. Очоа, М. Ниренберга і Х. Г. Корани. Розкриття таємниці генетичного коду стало одним з видатних досягнень біології в 20 столітті.
Реалізація генетичного коду в клітині відбувається в ході двох матричних процесів - транскрипції і трансляції. Посередником між геном і білком є \u200b\u200bмРНК, що утворюється в процесі транскрипції на одній з ниток ДНК. При цьому послідовність основ ДНК, що несе інформацію про первинну структуру білка, «переписується» в вигляді послідовності підстав мРНК. Потім в ході трансляції на рибосомах послідовність нуклеотидів мРНК зчитується транспортними РНК (тРНК). Останні мають акцепторні кінець, до якого приєднується амінокислотний залишок, і адаптерний кінець, або антикодон-триплет, який дізнається відповідний кодон мРНК. Взаємодія кодону і анти-кодону відбувається на підставі комплементарного спаровування підстав: Аденін (А) - Урацил (U), гуанін (G) - Цитозин (С); при цьому послідовність підстав мРНК переводиться в амінокислотну послідовність синтезирующегося білка. Різні організми використовують для однієї і тієї ж амінокислоти різні кодони-синоніми з різною частотою. Зчитування мРНК, що кодує поліпептидний ланцюг, починається (ініціюється) з кодону AUG, відповідного амінокислоті метіоніну. Рідше у прокаріотів ініціювали кодонами служать GUG (валін), UUG (лейцин), AUU (ізолейцин), у еукаріот - UUG (лейцин), AUA (ізолейцин), ACG (треонін), CUG (лейцин). Це задає так звану рамку, або фазу, зчитування при трансляції, тобто далі всю нуклеотидну послідовність мРНК зчитують триплет за кодоном тРНК до тих пір, поки на мРНК не зустрінеться будь-який з трьох кодонів-термінаторів, часто званих стоп-кодонами: UAA, UAG , UGA (таблиця). Зчитування цих триплетів призводить до завершення синтезу поліпептидного ланцюга.
Кодони AUG і стоп-кодони коштують відповідно на початку і в кінці ділянок мРНК, що кодують поліпептиди.
Генетичний код квазіуніверсален. Це означає, що існують невеликі варіації в значенні деяких кодонів у різних об'єктів, і це стосується, перш за все, кодонів-термінаторів, які можуть бути значущими; наприклад, в мітохондріях деяких еукаріот і у мікоплазм UGA кодує триптофан. Крім того, в деяких мРНК бактерій і еукаріот UGA кодує незвичайну амінокислоту - селеноцистеїн, а UAG у одній з архей - піролізин.
Існує точка зору, згідно з якою генетичний код виник випадково (гіпотеза «замороженого випадку»). Більш ймовірно, що він еволюціонував. На користь такого припущення говорить існування більш простого і, мабуть, більш давнього варіанта коду, який зчитується в мітохондріях згідно з правилом «два з трьох», коли амінокислоту визначають тільки два з трьох підстав в триплеті.
Літ .: Crick F. Н. а. о. General nature of the genetic code for proteins // Nature. 1961. Vol. 192; The genetic code. N. Y., 1966; Ічасо М. Біологічний код. М., 1971; Інге-Вечтомов С. Г. Як читається генетичний код: правила і виключення // сучасне природознавство. М., 2000. Т. 8; Ратнер В. А. Генетичний код як система // Соросівський освітній журнал. 2000. Т. 6. № 3.
С. Г. Інге-Вечтомов.
У будь-якій клітині і організмі все особливості анатомічної, морфологічного і функціонального характеру визначаються структурою білків, які входять в них. Спадковим властивістю організму є здатність до синтезу певних білків. У амінокислоти розташовані в поліпептидного ланцюжку, від якої залежать біологічні ознаки.
Для кожної клітини характерна своя послідовність нуклеотидів в полінуклеотидних ланцюга ДНК. Це і є генетичний код ДНК. За допомогою його записується інформація про синтез тих чи інших білків. Про те, що таке генетичний код, про його властивості та генетичної інформації розповідається в цій статті.
Трохи історії
Ідея про те, що, можливо, генетичний код існує, була сформульована Дж.Гамовим і А.Дауном в середині двадцятого століття. Вони описали, що послідовність нуклеотидів, що відповідає за синтез певної амінокислоти, містить щонайменше три ланки. Пізніше довели точну кількість з трьох нуклеотидів (це одиниця генетичного коду), яке назвали триплет або кодон. Всього нуклеотидів налічується шістдесят чотири, тому що молекули кислот, де відбувається або РНК, складається із залишків чотирьох різних нуклеотидів.
Що таке генетичний код
Спосіб кодування послідовності білків амінокислот завдяки послідовності нуклеотидів характерний для всіх живих клітин і організмів. Ось що таке генетичний код.
У ДНК є чотири нуклеотиду:
- аденін - А;
- гуанін - Г;
- цитозин - Ц;
- тимін - Т.
Вони позначаються великими літерами латинськими або (в російськомовній літературі) російськими.
У РНК також присутні чотири нуклеотиду, проте один з них відрізняється від ДНК:
- аденін - А;
- гуанін - Г;
- цитозин - Ц;
- урацил - У.
Все нуклеотиди шикуються в ланцюжки, причому в ДНК виходить подвійна спіраль, а в РНК - одинарна.
Білки будуються на де вони, розташовані в певній послідовності, визначають його біологічні властивості.
Властивості генетичного коду
Триплетність. Одиниця генетичного коду складається з трьох букв, він триплетів. Це означає, що двадцять існуючих амінокислот зашифровані трьома певними нуклеотидами, які називаються кодонами або трілпетамі. Існують шістдесят чотири комбінації, які можна створити з чотирьох нуклеотидів. Цієї кількості цілком достатньо для того, щоб закодувати двадцять амінокислот.
Виродженість. Кожна амінокислота відповідає більш ніж одному кодону, за винятком метіоніну і триптофану.
Однозначність. Один кодон шифрує одну амінокислоту. Наприклад, в гені здорової людини з інформацією про бета-мети гемоглобіну триплет ГАГ і ДАА кодує А у всіх, хто хворий серпоподібноклітинної анемією, один нуклеотид замінений.
Колінеарність. Послідовність амінокислот завжди відповідає послідовності нуклеотидів, яку містить ген.
Генетичний код безперервний і компактний, що означає те, що він не має «знаків пунктуації». Тобто, починаючись на певному кодоні, йде безперервне зчитування. Наприклад, АУГГУГЦУУААУГУГ буде зчитуватися як: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Але ніяк не АУГ, УГГ і так далі або якось ще інакше.
Універсальність. Він єдиний абсолютно для всіх земних організмів, від людей до риб, грибів і бактерій.
Таблиця
У представленій таблиці присутні не всі наявні амінокислоти. Гідроксипролін, гідроксилізин, фосфосерин, іодопроізводних тирозину, цистин і деякі інші відсутні, так як вони є похідними інших амінокислот, кодуються м-РНК і утворюються після модифікації білків в результаті трансляції.
З властивостей генетичного коду відомо, що один кодон здатний кодувати одну амінокислоту. Винятком є \u200b\u200bвиконує додаткові функції і кодує валін і метіонін, генетичний код. ИРНК, перебуваючи на початку з кодоном, приєднує т-РНК, яка несе формілметіоніл. По завершенні синтезу він отщепляется сам і захоплює за собою формільний залишок, перетворюючись в залишок метіоніну. Так, вищезазначені кодони є ініціаторами синтезу ланцюга поліпептидів. Якщо ж вони знаходяться не на початку, то нічим не відрізняються від інших.
генетична інформація
Під цим поняттям мається на увазі програма властивостей, яка передається від предків. Вона закладена в спадковості як генетичний код.
Реалізується при синтезі білка генетичний код:
- інформаційної та-РНК;
- рибосомальной р-РНК.
Інформація передається прямим зв'язком (ДНК-РНК-білок) і зворотної (середа-білок-ДНК).
Організми можуть отримувати, зберігати, передавати її і використовувати при цьому найбільш ефективно.
Передаючись у спадок, інформація визначає розвиток того чи іншого організму. Але через взаємодію з навколишнім середовищем реакція останнього спотворюється, завдяки чому і відбувається еволюція і розвиток. Таким чином в організм закладається нова інформація.
обчислення закономірностей молекулярної біології і відкриття генетичного коду проілюстрували те, що необхідно з'єднати генетику з теорією Дарвіна, на основі чого з'явилася синтетична теорія еволюції - некласична біологія.
Спадковість, мінливість і природний відбір Дарвіна доповнюються генетично обумовлених відбором. Еволюція реалізується на генетичному рівні шляхом випадкових мутацій і спадкуванням найцінніших ознак, які найбільш адаптовані до навколишнього середовища.
Розшифровка коду у людини
У дев'яностих роках було розпочато проект Human Genome, в результаті чого в двохтисячних були відкриті фрагменти геному, що містять 99,99% генів людини. Невідомими залишилися фрагменти, які не беруть участі в синтезі білків і не кодуються. Їх роль поки залишається невідомою.
Остання відкрита в 2006 році хромосома 1 є найдовшою в геномі. Більше трьохсот п'ятдесяти захворювань, в тому числі рак, з'являються в результаті порушень і мутацій в ній.
Роль подібних досліджень важко переоцінити. Коли відкрили, що таке генетичний код, стало відомо, за якими закономірностями відбувається розвиток, як формується морфологічна будова, психіка, схильність до тих чи інших захворювань, обмін речовин і пороки індивідів.
Під генетичним кодом прийнято розуміти таку систему знаків, що позначають послідовне розташування з'єднань нуклеотидів в ДНКа і РНКа, яка відповідає інший знаковій системі, Що відображає послідовність амінокислотних сполук в молекулі білка.
Це важливо!
Коли вченим вдалося вивчити властивості генетичного коду, одним з головних була визнана універсальність. Так, як не дивно це звучить, все об'єднує один, універсальний, загальний генетичний код. Формувався він протягом великого часового проміжку, і процес закінчився близько 3,5 мільярдів років тому. Отже, в структурі коду можна простежити сліди його еволюції, від моменту зародження до сьогоднішнього дня.
Коли йдеться про послідовність розташування елементів в генетичному коді, мається на увазі, що вона далеко не хаотична, а має строго певний порядок. І це теж багато в чому визначає властивості генетичного коду. Це рівнозначно розташуванню букв і складів в словах. Варто порушити звичний порядок, і більшість того, що ми будемо читати на книжкових або газетних сторінках, перетвориться в безглузду абракадабру.
Основні властивості генетичного коду
Зазвичай код несе в собі будь-яку інформацію, зашифровану в особливий спосіб. Для того щоб розшифрувати коду, необхідно знати відмітні особливості.
Отже, основні властивості генетичного коду - це:
- триплетність;
- вирожденність або надмірність;
- однозначність;
- безперервність;
- вже згадувана універсальність.
Зупинимося докладніше на кожному властивості.
1. Триплетність
Це коли три з'єднання нуклеотидів утворюють послідовний ланцюжок всередині молекули (тобто ДНК або ж РНК). В результаті створюється з'єднання триплета або кодує одну з амінокислот, місце її знаходження в ланцюзі пептидів.
Розрізняють кодони (вони ж кодові слова!) По їх послідовності з'єднання і по типу тих азотистих сполук (нуклеотидів), які входять до їх складу.
У генетиці прийнято виділяти 64 кодонових типу. Вони можуть утворювати комбінації з чотирьох типів нуклеотидів по 3 в кожному. Це рівносильно зведенню числа 4 в третю ступінь. Таким чином, можливе утворення 64-х нуклеотидних комбінацій.
2. Надмірність генетичного коду
Це властивість простежується тоді, коли для шифрування однієї амінокислоти потрібно кілька кодонів, зазвичай в межах 2-6. І тільки і триптофану можна кодувати за допомогою одного триплетів.
3. Однозначність
Вона входить в властивості генетичного коду як показник здорової генної спадковості. Наприклад, про хороший стан крові, про нормальному гемоглобіні може розповісти медикам стоїть на шостому місці в ланцюжку триплет ДАА. Саме він несе інформацію про гемоглобіні, і їм же кодується А якщо людина хвора на анемію, один з нуклеотидів замінюється на іншу букву коду - У, що і є сигналом захворювання.
4. Безперервність
При записи цієї властивості генетичного коду слід пам'ятати, що кодони, як ланки ланцюжка, розташовуються не на відстані, а в прямій близькості, один за одним в нуклеїнової кислотної ланцюга, і ланцюг ця не переривається - в ній немає початку або кінця.
5. Універсальність
Ніколи не слід забувати, що все суще на Землі об'єднано загальним генетичним кодом. І тому у примата і людини, у комахи і птиці, столітнього баобаба і ледь проклюнулася з-під землі травинки однаковими триплету кодуються схожі амінокислоти.
Саме в генах закладена основна інформація про властивості того чи іншого організму, свого роду програма, яку організм отримує у спадок від жили раніше і яка існує як генетичний код.
Раніше ми підкреслювали, що нуклеотиди мають важливу для формування життя на Землі особливість - при наявності в розчині однієї полинуклеотидной ланцюжка спонтанно відбувається процес утворення другої (паралельної) ланцюжка на підставі комплементарного з'єднання споріднених нуклеотидів. Однакове число нуклеотидів, в обох ланцюжках і їх хімічне спорідненість, є неодмінною умовою для здійснення такого роду реакцій. Однак при синтезі білка, коли інформація з іРНК реалізується в структуру білка ніякої мови про дотримання принципу комплементарності йти не може. Це пов'язано з тим, що в іРНК, і в синтезованому білку різна не тільки число мономерів, а й, що особливо важливо, відсутня структурна подібність між ними (з одного боку нуклеотиди, з іншої амінокислоти). Зрозуміло, що в цьому випадку виникає необхідність створення нового принципу точного перекладу інформації з полинуклеотида в структуру поліпептиду. В еволюції такий принцип був створений і в його основу було закладено генетичний код.
Генетичний код - це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів в ДНК або РНК, що утворюють кодони, відповідні амінокислотам в білку.
Генетичний код має кілька властивостей.
Триплетність.
Виродженість або надмірність.
Однозначність.
Полярність.
Неперекриваемость.
Компактність.
Універсальність.
Слід зазначити, що деякі автори пропонують ще й інші властивості коду, пов'язані з хімічними особливостями входять в код нуклеотидів або з частотою зустрічальності окремих амінокислот в білках організму і т.д. Однак ці властивість випливають з перерахованих вище, тому там ми їх і розглянемо.
а. Триплетність. Генетичний код, як і багато складно організовані система має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет - найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона з трьох нуклеотидів. Кодон - найменша функціональна одиниця генетичного коду. Як правило, кодонами називають триплети іРНК. У генетичному коді кодон виконує кілька функцій. По-перше, головна його функція полягає в тому, що він кодує одну амінокислоту. По-друге, кодон може не кодувати амінокислоту, але, в цьому випадку, він виконує іншу функцію (див. Далі). Як видно з визначення, триплет - це поняття, яке характеризує елементарну структурну одиницю генетичного коду (три нуклеотидів). Кодон - характеризує елементарну смислову одиницю генома - три нуклеотиду визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.
Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, а потім її існування підтвердили експериментально. І дійсно, 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом тому останніх всього 4. Три нуклеотиду з чотирьох дають 4 3 \u003d 64 варіанта, що з надлишком перекриває кількість наявних у живих організмах амінокислот (см.табл. 1).
Представлені в таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів кодонів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплета не кодують
Таблиця 1.
Кодони інформаційної РНК і відповідні їм амінокислоти
|
Про з зв про в а н і я к о д о н о в |
|||||
|
нонсенс |
нонсенс |
||||
|
нонсенс | |||||
|
мет |
|||||
|
Вал |
|||||
амінокислот а є стоп-сигналами, що позначають кінець трансляції. Таких триплетів три - УАА, УАГ, УГА, Їх ще називають «безглузді» (нонсенс кодони). В результаті мутації, яка пов'язана з заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, з смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (в його інформаційної частини), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватися - синтезуватися буде тільки перша (до стоп-сигналу) частину білка. У людини з такою патологією буде відчуватися нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цією нестачею. Наприклад, такого роду мутація виявлена \u200b\u200bв гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується укорочена неактивна ланцюг гемоглобіну, яка швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну позбавлена \u200b\u200bбета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи буде повноцінно виконувати свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається по типу гемолітичної анемії (бета-нуль талассемия, від грецького слова «Талас» - Середземне море, де ця хвороба вперше виявлена).
Механізм дії стоп-кодонів відрізняється від механізму дії смислових кодонів. Це випливає з того, що для всіх кодони, що кодують амінокислоти, знайдені відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдені. Отже, в процесі зупинки синтезу білка тРНК не приймає участь.
кодонАУГ (У бактерій іноді ГУГ) не тільки кодують амінокислоту метіонін і валін, але і єініціатором трансляції .
б. Виродженість або надмірність.
61 з 64 кодонів кодують 20 амінокислот. Таке триразове перевищення числа триплетів над кількістю амінокислот дозволяє припустити, що в перенесенні інформації можуть бути використані два варіанти кодування. По-перше, не всі 64 кодони можуть бути задіяні в кодуванні 20 амінокислот, а тільки 20 і, по-друге, амінокислоти можуть кодуватися кількома кодонами. Дослідження показали, що природа використовувала останній варіант.
Його перевага очевидно. Якби з 64 варіанту триплетів в кодуванні амінокислот брало участь лише 20, то 44 триплетів (з 64) залишалися б не кодують, тобто безглуздими (нонсенс-кодонами). Раніше ми вказували, наскільки небезпечно для життєдіяльності клітини перетворення кодує триплета в результаті мутації в нонсенс-кодон - це істотно порушує нормальну роботу РНК-полімерази, приводячи в кінцевому підсумку до розвитку захворювань. В даний час в нашому геномі три кодону є безглуздими, а тепер уявіть, що було б якщо число нонсенс-кодонів збільшиться в приблизно в 15 разів. Зрозуміло, що в такій ситуації перехід нормальних кодонів в нонсенс-кодони буде незрівнянно вищий.
Код, при якому одна амінокислота кодується декількома триплету, називається виродженим або надмірною. Майже кожній амінокислоті відповідає кілька кодонів. Так, амінокислота лейцин може кодуватися шістьма триплету - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валін кодується чотирма триплету, фенілаланін - двома і тільки триптофан і метіонінкодуються одним кодоном. Властивість, яке пов'язане із записом однієї і тієї ж інформації різними символами носить назву вирожденність.
Число кодонів, призначених для однієї амінокислоти, добре корелюється з частотою народження амінокислоти в білках.
І це, швидше за все, не випадково. Чим більше частота народження амінокислоти в білку, тим частіше представлений кодон цієї амінокислоти в геномі, тим вище ймовірність його пошкодження мутагенними факторами. Тому зрозуміло, що мутований кодон має більше шансів кодувати тугіше амінокислоту при високій його вирожденність. З цих позицій вирожденність генетичного коду є механізмом захищає геном людини від пошкоджень.
Необхідно відзначити, що термін вирожденність використовується в молекулярної генетики та в іншому сенсі. Так основна частина інформації в кодоні доводиться на перші два нуклеотиди, підстава в третьому положенні кодону виявляється малоістотним. Цей феномен називають "виродження третього підстави". Остання особливість зводить до мінімуму ефект мутацій. Наприклад, відомо, що основною функцією еритроцитів крові є перенесення кисню від легенів до тканин і вуглекислого газу від тканин до легень. Здійснює цю функцію дихальний пігмент - гемоглобін, який заповнює всю цитоплазму еритроцита. Складається він з білкової частини - глобіну, який кодується відповідним геном. Крім білка в молекулу гемоглобіну входить гем, що містить залізо. Мутації в глобінових генах призводять до появи різних варіантів гемоглобінів. Найчастіше мутації пов'язані з заміною одного нуклеотиду на інший і появою в гені нового кодону, Який може кодувати нову амінокислоту в поліпептидного ланцюга гемоглобіну. У триплеті, в результаті мутації може бути замінений будь-нуклеотид - перший, другий чи третій. Відомо кілька сотень мутацій, які зачіпають цілісність генів глобіну. близько 400 з них пов'язані із заміною одиничних нуклеотидів в гені і відповідної амінокислотної заміною в поліпептиді. З них тільки 100 замін призводять до нестабільності гемоглобіну і різного роду захворювань від легких до дуже важких. 300 (приблизно 64%) мутацій-замін не впливають на функцію гемоглобіну і не призводять до патології. Однією з причин цього є згадана вище "вирожденність третього підстави", коли заміна третього нуклеотиду в триплеті кодує серин, лейцин, пролін, аргінін і деякі інші амінокислоти призводить до появи кодону-синоніма, що кодує ту ж амінокислоту. Фенотипічно така мутація не проявиться. На відміну від цього будь-яка заміна першого або другого нуклеотиду в триплеті в 100% випадках призводить до появи нового варіанту гемоглобіну. Але і в цьому випадку важких фенотипических порушень може і не бути. Причиною цього є заміна амінокислоти в гемоглобіні на іншу подібну до першої за фізико-хімічними властивостями. Наприклад, якщо амінокислота, що володіє гідрофільними властивостями, замінена на іншу амінокислоту, але з такими ж властивостями.
Гемоглобін складається з железопорфіріновой групи гема (до неї і приєднуються молекули кисню і вуглекислоти) і білка - глобіну. Гемоглобін дорослої людини (НВА) містить дві ідентичні -ланцюга і дві -ланцюга. молекула -ланцюга містить 141 амінокислотних залишків, -ланцюжок - 146, - і -ланцюга розрізняються за багатьма амінокислотним залишкам. Амінокислотна послідовність кожної глобіновой ланцюга кодується своїм власним геном. Ген, що кодує -ланцюг розташовується в короткому плечі 16 хромосоми, -ген - в короткому плечі 11 хромосоми. Заміна в гені, що кодує -ланцюг гемоглобіну першого або другого нуклеотиду практично завжди призводить до появи в білка нових амінокислот, порушення функцій гемоглобіну і важким наслідки для хворого. Наприклад, заміна "Ц" в одному з триплетів ЦАУ (гістидин) на "У" - призведе до появи нового триплетів УАУ, що кодує іншу амінокислоту - тирозин Фенотипічно це проявиться в тяжкому захворюванні .. Аналогічна заміна в 63 положенні -ланцюга поліпептиду гистидина на тирозин призведе до дестабілізації гемоглобіну. Розвивається захворювання метгемоглобінемія. Заміна, в результаті мутації, глутамінової кислоти на валін в 6-му положенні -ланцюга є причиною важкого захворювання - серповидно-клітинної анемії. Не будемо продовжувати сумний список. Відзначимо тільки, що при заміні перших двох нуклеотидів може з'явиться амінокислота за фізико-хімічними властивостями схожа на колишню. Так, заміна 2-го нуклеотиду в одному з триплетів, що кодує глутамінової кислоти (ДАА) в -ланцюга на "У" призводить до появи нового триплетів (ГУА), що кодує валін, а заміна першого нуклеотиду на "А" формує триплет ААА, що кодує амінокислоту лізин. Глутамінова кислота і лізин подібні за фізико-хімічними властивостями - вони обидві гідрофільних. Валін - гідрофобна амінокислота. Тому, заміна гидрофильной глютамінової кислоти на гідрофобний валін, значно змінює властивості гемоглобіну, що, в кінцевому підсумку, призводить до розвитку серповидноклітинної анемії, заміна ж гидрофильной глютамінової кислоти на гідрофільний лізин в меншій мірі змінює функцію гемоглобіну - у хворих виникає легка форма недокрів'я. В результаті заміни третього підстави новий триплет може кодувати тугіше амінокислоти, що і колишньої. Наприклад, якщо в триплеті ЦАУ урацил був замінений на цитозин і виник триплет цяць, то практично ніяких фенотипічних змін у людини виявлено не буде. Це зрозуміло, тому що обидва триплета кодують одну і ту ж саму амінокислоту - гістидин.
У висновку доречно підкреслити, що вирожденність генетичного коду і вирожденність третього підстави з общебиологических позиція є захисними механізмами, які закладені в еволюції в унікальній структурі ДНК і РНК.
в. Однозначність.
Кожен триплет (крім безглуздих) кодує тільки одну амінокислоту. Таким чином, в напрямку кодон - амінокислота генетичний код однозначний, в напрямку амінокислота - кодон - неоднозначний (вироджених).
однозначний
кодон амінокислота
вироджений
І в цьому випадку необхідність однозначності в генетичному коді очевидна. При іншому варіанті при трансляції одного і того ж кодону в білковий ланцюжок убудовувалися б різні амінокислоти і в підсумку формувалися білків з різною первинною структурою і різної функцією. Метаболізм клітини перейшов би в режим роботи «один ген - кілька поіпептідов». Зрозуміло, що в такій ситуації регулююча функція генів була б повністю втрачена.
м Полярність
Зчитування інформації з ДНК і з іРНК відбувається тільки в одному напрямку. Полярність має важливе значення для визначення структур вищого порядку (вторинної, третинної і т.д.). Раніше ми говорили про те, що структури нижчого порядку визначають структури більш високого порядку. Третинна структура і структури більш високого порядку у білків, формуються відразу ж як тільки синтезована ланцюжок РНК відходить від молекули ДНК або ланцюжок поліпептиду відходить від рибосоми. У той час коли вільний кінець РНК або поліпептиду набуває третинну структуру, інший кінець ланцюжка ще продовжує синтезуватися на ДНК (якщо транскрибується РНК) або рибосоми (якщо транскрибується поліпептид).
Тому односпрямований процес зчитування інформації (при синтезі РНК і білка) має істотне значення не тільки для визначення послідовності нуклеотидів або амінокислот в синтезованих речовині, але для жорсткої детермінації вторинної, третинної і т.д. структур.
д. Неперекриваемость.
Код може бути перекриваються і не перекриваються. У більшості організмів код не перекривається. Код, що перекривається знайдений у деяких фагів.
Сутність не перекриває коду полягає в тому, що нуклеотид одного кодону не може бути одночасно нуклеотидом іншого кодону. Якби код був перекриває, то послідовність із семи нуклеотидів (ГЦУГЦУГ) могла кодувати не дві амінокислоти (аланін-аланін) (рис.33, А) як у випадку з не перекриваються кодом, а три (якщо загальним є один нуклеотид) (рис . 33, Б) або п'ять (якщо загальними є два нуклеотиду) (див. рис. 33, В). В останніх двох випадках мутація будь-якого нуклеотиду привела б до порушення в послідовності двох, трьох і т.д. амінокислот.
Однак встановлено, що мутація одного нуклеотиду завжди порушує включення в поліпептид однієї амінокислоти. Це суттєвий аргумент на користь того, що код є не перекриваються.
Пояснимо це на малюнку 34. Жирними лініями показані триплети кодують амінокислоти в разі не перекривати і перекривати коду. Експерименти однозначно показали, що генетичний код є не перекриваються. Не вдаючись в деталі експерименту відзначимо, що якщо замінити в послідовності нуклеотидів (див. Рис.34) третій нуклеотидУ (Відзначений зірочкою) на будь-якій іншій то:
1. При неперекривающіхся коді контрольований цією послідовністю білок мав би заміну однієї (першої) амінокислоті (відзначена зірочками).
2. При перекривати коді в варіанті А сталася б заміна в двох (першої та другої) амінокислотах (відзначені зірочками). При варіанті Б заміна торкнулася б трьох амінокислот (відзначені зірочками).
Однак численні досліди показали, що при порушенні одного нуклеотиду в ДНК, порушення в білку завжди стосуються тільки однієї амінокислоти, що характерно для неперекривающіхся коду.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УДЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УДЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Аланін - Аланин Ала - Цис - Лей Ала - Лей - Лей - Ала - Лей
А Б В
Чи не перекривається код перекривати код
Мал. 34. Схема, що пояснює наявність в геномі не перекривати коду (пояснення в тексті).
Неперекриваемость генетичного коду пов'язана з ще однією властивістю - зчитування інформації починається з певної точки - сигналу ініціації. Таким сигналом ініціації в іРНК є кодон, що кодує метіонін АУГ.
Слід зазначити, що у людини все-таки є невелике число генів, які відступають від загального правила і перекриваються.
е. Компактність.
Між кодонами немає розділових знаків. Іншими словами триплети не відокремлені один від одного, наприклад, одним нічого не значущим нуклеотидів. Відсутність в генетичній коді «знаків пунктуації» було доведено в експериментах.
ж. Універсальність.
Код єдиний для всіх організмів, що живуть на Землі. Прямий доказ універсальності генетичного коду було отримано при порівнянні послідовностей ДНК з відповідними білковими послідовностями. Виявилося, що у всіх бактеріальних і еукаріотичних геномах використовується одні й ті ж набори кодових значень. Є й винятки, але їх не багато.
Перші виключення з універсальності генетичного коду були виявлені в мітохондріях деяких видів тварин. Це стосувалося кодону термінатора УГА, який читався так само як кодон УГГ, що кодує амінокислоту триптофан. Були знайдені і інші більш рідкісні відхилення від універсальності.
МОЗ. Генетичний код - це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів в ДНК або РНК, що утворюють кодони,
відповідні амінокислотам в білку.Генетичний код має кілька властивостей.
Лекція 5. генетичний код
визначення поняття
Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот в білках за допомогою послідовності розташування нуклеотидів в ДНК.
Оскільки ДНК безпосередньої участі в синтезі білка не приймає, то код записується на мові РНК. У РНК замість тиміну входить урацил.
Властивості генетичного коду
1. Триплетність
Кожна амінокислота кодується послідовністю із 3-х нуклеотидів.
Визначення: триплет або кодон - послідовність з трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.
Код не може бути моноплетним, оскільки 4 (число різних нуклеотидів в ДНК) менше 20. Код не може бути дуплетним, тому що 16 (число сполучень і перестановок з 4-х нуклеотидів по 2) менше 20. Код може бути тріплетним, тому що 64 (число сполучень і перестановок з 4-х по 3) більше 20.
2. Виродженість.
Всі амінокислоти, за винятком метіоніну і триптофану, кодуються більш ніж одним кодоном:
2 АК по 1 триплети \u003d 2.
9 АК по 2 триплетів \u003d 18.
1 АК 3 триплетів \u003d 3.
5 АК по 4 триплетів \u003d 20.
3 АК по 6 кодонів \u003d 18.
Всього 61 триплет кодує 20 амінокислот.
3. Наявність міжгенних розділових знаків.
визначення:
ген - це ділянка ДНК, що кодує одну поліпептидний ланцюг або одну молекулу tPHK, rРНК абоsPHK.
гениtPHK, rPHK, sPHK білки не кодують.
В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться, щонайменше, один з 3-х триплетів, що кодують терминирующего кодони РНК, або стоп-сигнали. В мРНК вони мають такий вигляд:UAA, UAG, UGA . Вони терминирующего (закінчують) трансляцію.
Умовно до знаків пунктуації відноситься і кодонAUG - перший після лидерной послідовності. (Див. Лекцію 8) Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріот).
4. Однозначність.
Кожен триплет кодує лише одну амінокислоту або є термінатором трансляції.
Виняток становить кодонAUG . У прокаріотів в першій позиції (заголовна буква) він кодує формілметіонін, а в будь-який інший - метіонін.
5. Компактність, або відсутність внутрігенних розділових знаків.
Всередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону.
У 1961 р Сеймур Бензер і Френсіс Крік експериментально довели триплетність коду і його компактність.
Суть експерименту: "+" мутація - вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду. Одиночна "+" або "-" мутація на початку гена псує весь ген. Подвійна "+" або "-" мутація теж псує весь ген.
Потрійна "+" або "-" мутація на початку гена псує лише його частина. Четверная "+" або "-" мутація знову псує весь ген.
Експеримент доводить, що код тршплетен і всередині гена немає розділових знаків.Експеримент був проведений на двох поруч розташованих фагових генах і показав, крім того, наявність знаків пунктуації між генами.
6. Універсальність.
Генетичний код єдиний для всіх, хто живе на Землі істот.
У 1979 р Беррел відкрив ідеальний код мітохондрій людини.
визначення:
«Ідеальним» називається генетичний код, в якому виконується правило вирожденність квазідублетного коду: Якщо в двох триплетах збігаються перші два нуклеотиди, а треті нуклеотиди відносяться до одного класу (обидва - пурини або обидва - піримідинові), то ці триплети кодують одну і ту ж амінокислоту .
З цього правила в універсальному коді є два винятки. Обидва відхилення від ідеального коду в універсальному стосуються принципових моментів: початку і кінця синтезу білка:
кодон | універсальний код | мітохондріальні коди |
|||
хребетні | безхребетні | дріжджі | рослини |
||
STOP | STOP |
||||
З UA | |||||
А G А | STOP | ||||
STOP | 230 замін не змінюють клас кодируемой амінокислоти. до риваемость. У 1956 р Георгій Гамов запропонував варіант перекривається коду. Згідно гамовських коду, кожен нуклеотид, починаючи з третього в гені, входить до складу 3-х кодонів. Коли генетичний код був розшифрований, виявилося, що він не перекриваються, тобто кожен нуклеотид входить до складу лише одного кодону. Переваги перекривається генетичного коду: компактність, менша залежність структури білка від вставки або делеції нуклеотиду. Недолік: велика залежність структури білка від заміни нуклеотиду і обмеження на сусідів. У 1976 р була секвенований ДНК фага φХ174. У нього одноцепочечная кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них були визначені гени, розташовані один за одним. З'ясувалося, що є перекривання. Ген Е повністю знаходиться всередині генаD . Його ініціює кодон з'являється в результаті зсуву зчитування на один нуклеотид. генJ починається там, де закінчується генD . Ініціює кодон генаJ перекривається з терминирующего кодоном генаD в результаті зсуву на два нуклеотиду. Конструкція називається "зрушення рамки зчитування" на число нуклеотидів, некратними трьом. На сьогоднішній день перекривання показано тільки для декількох фагів. Інформаційна ємність ДНК На Землі живе 6 мільярдів чоловік. Спадкова інформація про них 4x10 13 книжкових сторінок. Ці сторінки зайняли б обсяг 6-й будівель НГУ. 6x10 9 сперматозоїдів займають половину наперстка. Їх ДНК займає менше чверті наперстка. | ||||
