Основные свойства генетического кода и их значение. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот. Гены, генетический код
Генетический код - это особенная шифровка наследственной информации с помощью молекул Основываясь на этой гены соответствующе управляют синтезом белков и ферментов в организме, определяя тем самым обмен веществ. В свою очередь, строение отдельных белков и их функции обуславливается расположением и составом аминокислот - структурных единиц молекулы белка.
В середине прошлого века были выявлены гены, которые являются отдельными участками (сокращенно - ДНК). Звенья нуклеотидов образуют в характерную двойную цепь, собранную в форме спирали.
Ученые нашли связь между генами и химической структурой отдельных белков, сущность которой состоит в том, что структурный порядок расположения аминокислот в молекулах белка полностью соответствует порядку нуклеотидов в гене. Установив эту связь, ученые решили расшифровать генетический код, т.е. установить законы соответствия структурных порядков нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках.
Существует всего четыре типа нуклеотидов:
1) А - адениловые;
2) Г - гуаниловые;
3) Т - тимидиловые;
4) Ц - цитидиловые.
В состав белков входит двадцать видов основных аминокислот. С расшифровкой генетического кода возникли трудности, поскольку нуклеотидов гораздо меньше, чем аминоскислот. При решении этой проблемы было высказано предположение, что аминокислоты кодируются различными сочетаниями из трех нуклеотидов (так называемым кодоном или триплетом).
Кроме того, необходимо было объяснить, как именно располагаются триплеты вдоль гена. Так возникли три основные группы теорий:
1) триплеты следуют друг за другом непрерывно, т.е. формируют сплошной код;
2) триплеты располагаются с чередованием «бессмысленных» участков, т.е. формируются так называемые «запятые» и «абзацы» в коде;
3) триплеты могут перекрываться, т.е. конец первого триплета может формировать начало следующего.
В настоящее время в основном используют теорию о непрерывности кода.
Генетический код и его свойства
1) Код триплетен - он состоит из произвольных сочетаний трех нуклеотидов, которые образуют кодоны.
2) Генетический код избыточен - его триплетности. Одна аминокислота может быть закодирована несколькими кодонами, поскольку кодонов, по математическим подсчетам, в три раза больше, чем аминокислот. Некоторые кодоны выполняют определенные терминирующие функции: одни могут быть «стоп-сигналами», которые программируют окончание производства аминокислотной цепи, а другие могут обозначать инициирование считывания кода.
3) Генетический код однозначен - каждому из кодонов может соответствовать только одна аминокислота.
4) Генетический код обладает коллинеарностью, т.е. последовательность нуклеотидов и последовательность аминокислот четко соответствуют друг другу.
5) Код записан непрерывно и компактно, «бессмысленные» нуклеотиды в нем отсутствуют. Он начинается определенным триплетом, который сменяется следующим без перерыва и заканчивается терминирующим кодоном.
6) Генетический код обладает универсальностью - гены любого организма кодируют информацию о белках абсолютно одинаково. Это не зависит от уровня сложности организации организма или его системного положения.
Современная наука предполагает, что генетический код возникает непосредственно при зарождении нового организма из костной материи. Случайные изменения и процессы эволюции делают возможными любые варианты кода, т.е. аминокислоты могут переставляться в любой последовательности. Почему в ходе эволюции выжил именно такой вид кода, почему код универсален и имеет подобную структуру? Чем больше наука узнает о феномене генетического кода, тем больше возникает новых загадок.
В обмене веществ организма ведущая роль
принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.
Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.
Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.
План синтеза белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима служба доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую службу доставки исполняют молекулы РНК.
Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается. Процесс считки информации с ДНК и синтеза по ее матрице РНК называется транскрипцией , а синтезированная РНК называется информационной или и-РНК .
После дальнейших изменений этот вид закодированной и-РНК готов. и-РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы и-РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв и-РНК образует «букву», обозначающее одну конкретную аминокислоту.
Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. Эта РНК называется транспортной, или т-РНК. По мере прочтения и перевода сообщения и-РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка. Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все варианты укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 1027 (!) лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды, и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.
Гены, генетический код и его свойства.
На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные : каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.
Такие различия объясняются различиями в генотипах -наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках - следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.
Это не означает , что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы .
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип . Таким образом,
Ген – единица наследственной информации организма, которой соответствует отдельный участок ДНК
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода , который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.
Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).
Собственно
кодом
считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК
, т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции
) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции
).
В состав и-РНК входят нуклеотиды А-Ц-Г-У, триплеты которых называются кодонами
: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ. Именно кодонами и-РНК
отражается генетический код в записи.
Таким образом, генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов . Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетен . Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными ). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, должно быть не менее трех. В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64.
2. Избыточность (вырожденность ) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции: в молекуле и-РНК триплеты УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп -сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.
3. Однозначность кода - одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности : каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.
4. Коллинеарность кода, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
5. Генетический код неперекрываем и компактен , т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп -сигналов (терминирующих кодонов ).
6. Генетический код универсален , т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и- РНК и построения цепочек белковых молекул.
Реакции матричного синтеза.
В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе - реакции матричного синтеза.
Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.
Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, та-ких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.
Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно. Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК .
Мономерные молекулы , из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.
Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь , и готовый полимер сбрасывается с матрицы.
После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.
Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.
Реакции матричного синтеза
1. Репликация ДНК - реплика́ция (от лат. replicatio - возобновление) - процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков, называемый реплисомой . Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.
Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов. Молекула ДНК способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.
Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.
Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.
Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться - процесс устранения ошибок называется репарацией . Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
2. Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. РНК-полимераза движется по молекуле ДНК в направлении 3" → 5". Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации . Единицей транскрипции является оперон, фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемой части и терминатора . и-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.
Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.
3. Трансляция (от лат. translatio - перенос, перемещение) - процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой. Иными словами, это процесс перевода информации, со-держащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность амино-кислот в полипептиде.
4. Обратная транскрипция - это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации из одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.
Однако в 1970 году Темин и Балтимор независимо друг от друга открыли фермент, названный обратной транскриптазой (ревертазой)
, и возможность обратной транскрипции была окончательно подтверждена. В 1975 году Темину и Балтимору была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Некоторые вирусы (такие как вирус иммунодефицита человека, вызывающий ВИЧ-инфекцию), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединена с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой
. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК
(кДНК) из вирусного генома. Ассоциированный фермент рибонуклеаза расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином
, которые образуют новые вирусы. В случае с ВИЧ так же программируется апоптоз (смерть клетки) Т-лимфоцитов. В иных случаях клетка может остаться распространителем вирусов.
Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы.
Таким образом, биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.
Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки , составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться . Эта активация происходит под действием особых ферментов.
В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК . Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК , которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.
Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК . Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.
Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал » от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.
Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника – матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК ), которая синтезируется в ядр е под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и- РНК и далее на белок .
Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет) , взаимо-действует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.
Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и- РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы.
Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.
Основные этапы передачи генетической информации:
1. Синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)
2. Синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция)
.
Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.
У прокариот транскрипция и трансляция могут осуществляться одновременно, поскольку ДНК находится в цитоплазме. У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД (греч, genetikos относящийся к происхождению; син.: код, биологический код, аминокислотный код, белковый код, код нуклеиновых к-т ) - система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот животных, растений, бактерий и вирусов чередованием последовательности нуклеотидов.
Генетическая информация (рис.) из клетки в клетку, из поколения в поколение, за исключением РНК-содержащих вирусов, передается путем редупликации молекул ДНК (см. Репликация). Реализация наследственной информации ДНК в процессе жизнедеятельности клетки осуществляется через 3 типа РНК: информационную (иРНК или мРНК), рибосомную (рРНК) и транспортную (тРНК), которые с помощью фермента РНК-полимеразы синтезируются на ДНК как на матрице. При этом последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК однозначно определяет последовательность нуклеотидов во всех трех типах РНК (см. Транскрипция). Информацию гена (см.), кодирующего белковую молекулу, несет только иРНК. Конечным продуктом реализации наследственной информации является синтез белковых молекул, специфичность которых определяется последовательностью входящих в них аминокислот (см. Трансляция).
Поскольку в составе ДНК или РНК представлено только по 4 разных азотистых основания [в ДНК - аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц); в РНК - аденин (А), урацил (У), цитозин (Ц), гуанин (Г)], последовательность которых определяет последовательность 20 аминокислот в составе белка, возникает проблема Г. к., т. е. проблема перевода 4-буквенного алфавита нуклеиновых к-т в 20-буквенный алфавит полипептидов.
Впервые идея матричного синтеза белковых молекул с правильным предсказанием свойств гипотетической матрицы была сформулирована Н. К. Кольцовым в 1928 г. В 1944 г. Эйвери (О. Avery) с соавт, установил, что за передачу наследственных признаков при трансформации у пневмококков ответственны молекулы ДНК. В 1948 г. Чаргафф (E. Chargaff) показал, что во всех молекулах ДНК имеет место количественное равенство соответствующих нуклеотидов (А-T, Г-Ц). В 1953 г. Ф. Крик, Дж. Уотсон и Уилкинс (М. H. F. Wilkins), исходя из этого правила и данных рентгеноструктурного анализа (см.), пришли к выводу, что молекул а ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных нитей, соединенных между собой водородными связями. Причем против А одной цепи во второй может находиться только Т, против Г - только Ц. Эта комплементарность приводит к тому, что последовательность нуклеотидов одной цепи однозначно определяет последовательность другой. Второй существенный вывод, вытекающий из этой модели,- молекула ДНК способна к самовоспроизведению.
В 1954 г. Гамов (G. Gamow) сформулировал проблему Г. к. в ее современном виде. В 1957 г. Ф. Крик высказал Гипотезу адаптера, предположив, что аминокислоты взаимодействуют с нуклеиновой к-той не непосредственно, а через посредников (теперь известных под названием тРНК). В ближайшие после этого годы все принципиальные звенья общей схемы передачи генетической информации, вначале гипотетичные, были подтверждены экспериментально. В 1957 г. были открыты иРНК [А. С. Спирин, А. Н. Белозерский с соавт.; Фолькин и Астрахан (E. Volkin, L. Astrachan)] и тРНК [Хоугленд (М. В. Hoagland)]; в 1960 г. синтезирована ДНК вне клетки с использованием в качестве матрицы существующих макромолекул ДНК (А. Корнберг) и открыт ДНК-зависимый синтез РНК [Вейсс (S. В. Weiss) с соавт.]. В 1961 г. была создана бесклеточная система, в к-рой в присутствии естественной РНК или синтетических полирибонуклеотидов осуществлялся синтез белковоподобных веществ [М. Ниренберг и Маттеи (J. H. Matthaei)]. Проблема познания Г. к. состояла из исследования общих свойств кода и собственно его расшифровки, т. е. выяснения, какие комбинации нуклеотидов (кодоны) кодируют определенные аминокислоты.
Общие свойства кода были выяснены независимо от его расшифровки и в основном до нее путем анализа молекулярных закономерностей образования мутаций (Ф. Крик и соавт., 1961; Н. В. Лучник, 1963). Они сводятся к следующему:
1. Код универсален, т. е. идентичен, по крайней мере в основном, для всех живых существ.
2. Код триплетен, т. е. каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов.
3. Код неперекрывающийся, т. е. данный нуклеотид не может входить в состав более чем одного кодона.
4. Код вырожден, т. е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.
5. Информация о первичной структуре белка считывается с иРНК последовательно, начиная с фиксированной точки.
6. Большинство возможных триплетов имеет «смысл», т. е. кодирует аминокислоты.
7. Из трех «букв» кодона преимущественное значение имеют лишь две (облигатные), третья же (факультативная) несет значительно меньшую информацию.
Прямая расшифровка кода состояла бы в сравнении последовательности нуклеотидов в структурном гене (или синтезированной на нем иРНК) с последовательностью аминокислот в соответствующем белке. Однако такой путь пока технически невозможен. Были применены два других пути: синтез белка в бесклеточной системе с использованием в качестве матрицы искусственных полирибонуклеотидов известного состава и анализ молекулярных закономерностей образования мутаций (см.). Первый принес положительные результаты раньше и исторически сыграл в расшифровке Г. к. большую роль.
В 1961 г. М. Ниренберг и Маттеи применили в качестве матрицы гомо-полимер - синтетическую полиуридиловую к-ту (т. е. искусственную РНК состава УУУУ...) и получили полифенилаланин. Из этого следовало, что кодон фенилаланина состоит из нескольких У, т. е. в случае триплетного кода расшифровывается как УУУ. Позже наряду с гомополимерами были использованы полирибонуклеотиды, состоявшие из разных нуклеотидов. При этом был известен только состав полимеров, расположение же нуклеотидов в них было статистическим, поэтому и анализ результатов был статистическим и давал косвенные выводы. Довольно быстро удалось найти хотя бы по одному триплету для всех 20 аминокислот. Выяснилось, что присутствие органических растворителей, изменение pH или температуры, некоторые катионы и особенно антибиотики делают код неоднозначным: те же кодоны начинают стимулировать включение других аминокислот, в некоторых случаях один кодон начинал кодировать до четырех разных аминокислот. Стрептомицин влиял на считывание информации как в бесклеточных системах, так и in vivo, причем был эффективен только на стрептомицинчувствительных штаммах бактерий. У стрептомицинзависимых штаммов он «исправлял» считывание с кодонов, изменившихся в результате мутации. Подобные результаты давали основание сомневаться в правильности расшифровки Г. к. с помощью бесклеточной системы; требовалось подтверждение, и в первую очередь данными in vivo.
Основные данные о Г. к. in vivo получены при анализе аминокислотного состава белков у организмов, обработанных мутагенами (см.) с известным механизмом действия, напр, азотистой к-той, к-рая вызывает в молекуле ДНК замену Ц на У и А на Г. Полезную информацию дают также анализ мутаций, вызванных неспецифическими мутагенами, сравнение различий в первичной структуре родственных белков у разных видов, корреляция между составом ДНК и белков и т. п.
Расшифровка Г. к. на основании данных in vivo и in vitro дала совпадающие результаты. Позже были разработаны три других метода расшифровки кода в бесклеточных системах: связывание аминоацил-тРНК (т. е. тРНК с присоединенной активированной аминокислотой) тринуклеотидами известного состава (М. Ниренберг и соавт., 1965), связывание аминоацил-тРНК полинуклеотидами, начинающимися с определенного триплета (Маттеи с соавт., 1966), и использование в качестве иРНК полимеров, в которых известен не только состав, но и порядок нуклеотидов (X. Корана и соавт., 1965). Все три метода дополняют друг друга, а результаты находятся в соответствии с данными, полученными в опытах in vivo.
В 70-х гг. 20 в. появились методы особенно надежной проверки результатов расшифровки Г. к. Известно, что мутации, возникающие под действием профлавина, состоят в выпадении или вставке отдельных нуклеотидов, что приводит к сдвигу рамки считывания. У фага Т4 был вызван профлавином ряд мутаций, при которых изменился состав лизоцима. Этот состав был проанализирован и сопоставлен с теми кодонами, которые должны были получиться при сдвиге рамки считывания. Получилось полное соответствие. Дополнительно этот метод позволил установить, какие именно триплеты вырожденного кода кодируют каждую из аминокислот. В 1970 г. Адамсу (J. М. Adams) с сотрудниками удалось провести частичную расшифровку Г. к. прямым методом: у фага R17 определили последовательность оснований во фрагменте длиной в 57 нуклеотидов и сравнили с аминокислотной последовательностью белка его оболочки. Результаты полностью совпали с полученными менее прямыми методами. Т. о., код расшифрован полностью и верно.
Результаты расшифровки сведены в таблицу. В ней указан состав кодонов и РНК. Состав антикодонов тРНК комплементарен кодонам иРНК, т. е. вместо У в них находится А, вместо А - У, вместо Ц - Г и вместо Г - Ц, и соответствует кодонам структурного гена (той нити ДНК, с к-рой считывается информация) с той лишь разницей, что место тимина занимает урацил. Из 64 триплетов, которые могут быть образованы сочетанием 4 нуклеотидов, 61 имеет «смысл», т. е. кодирует аминокислоты, а 3 являются «нонсенсами» (лишенными смысла). Между составом триплетов и их смыслом имеется довольно четкая зависимость, к-рая была обнаружена еще при анализе общих свойств кода. В ряде случаев триплеты, кодирующие определенную аминокислоту (напр., пролин, аланин), характеризуются тем, что два первых нуклеотида (облигатные) у них одинаковы, а третий (факультативный) может быть любым. В других случаях (при кодировании, напр., аспарагина, глутамина) один и тот же смысл имеют два сходных триплета, у которых совпадают два первых нуклеотида, а на месте третьего стоит любой пурин или любой пиримидин.
Нонсенс-кодоны, 2 из которых имеют специальные названия, соответствующие обозначению фаговых мутантов (УАА-охра, УАГ-амбер, УГА-опал), хотя и не кодируют каких-либо аминокислот, но имеют большое значение при считывании информации, кодируя конец полипептидной цепи.
Считывание информации происходит в направлении от 5 1 -> 3 1 - к концу нуклеотидной цепи (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты). При этом синтез белка идет от аминокислоты со свободной аминогруппой к аминокислоте со свободной карбоксильной группой. Начало синтеза кодируется триплетами АУГ и ГУГ, которые в этом случае включают специфичную стартовую аминоацил-тРНК, а именно N-формилметио-нил-тРНК. Эти же триплеты при локализации внутри цепи кодируют соответственно метионин и валин. Неоднозначность снимается тем, что началу считывания предшествует нонсенс. Есть данные, говорящие в пользу того, что граница между участками иРНК, кодирующими разные белки, состоит более чем из двух триплетов и что в этих местах меняется вторичная структура РНК; этот вопрос находится в стадии исследования. Если нонсенс-кодон возникает внутри структурного гена, то соответствующий белок строится только до места расположения этого кодона.
Открытие и расшифровка генетического кода - выдающееся достижение молекулярной биологии - оказало влияние на все биол, науки, положив в ряде случаев начало развитию специальных крупных разделов (см. Молекулярная генетика). Эффект открытия Г. к. и связанных с ним исследований сравнивают с тем эффектом, который оказала на биол, науки теория Дарвина.
Универсальность Г. к. является прямым доказательством универсальности основных молекулярных механизмов жизни у всех представителей органического мира. Между тем большие различия в функциях генетического аппарата и его строении при переходе от прокариотов к эукариотам и от одноклеточных к многоклеточным, вероятно, связаны и с молекулярными различиями, исследование которых - одна из задач будущего. Поскольку исследования Г. к.- дело лишь последних лет, значение полученных результатов для практической медицины носит лишь Косвенный характер, позволяя пока понять природу заболеваний, механизм действия возбудителей болезней и лекарственных веществ. Однако открытие таких явлений, как трансформация (см.), трансдукция (см.), супрессия (см.), указывает на принципиальную возможность исправления патологически измененной наследственной информации или ее коррекции - так наз. генная инженерия (см.).
Таблица. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
|
Первый нуклеотид кодона |
Второй нуклеотид кодона |
Третий, нуклеотид кодона |
|||||||
|
Фенилаланин |
|||||||||
|
J Нонсенс |
|||||||||
|
Триптофан |
|||||||||
|
Гистидин |
|||||||||
|
Глутаминовая кислота |
|||||||||
|
Изолейцин |
Аспарагиновая |
||||||||
|
Метионин |
|||||||||
|
Аспарагин |
|||||||||
|
Глутамин |
|||||||||
* Кодирует конец цепи.
** Кодирует также начало цепи.
Библиография: Ичас М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Лучник Н.Б. Биофизика цитогенетических поражений и генетический код, Л., 1968; Молекулярная генетика, пер. с англ., под ред. А. Н. Белозерского, ч. 1, М., 1964; Нуклеиновые кислоты, пер. с англ., под ред. А. Н. Белозерского, М., 1965; Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Физиологическая генетика, под ред. М. Е. Лобашева С. Г., Инге-Вечтомо-ва, Л., 1976, библиогр.; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v„ E. Geissler, B., 1972; The genetic code, Gold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. The genetic code, N. Y. a. o., 1967.
К серии статей, описывающих происхождение ГК, можно относиться как к расследованию событий, о которых у нас осталось очень немало следов. Однако для понимания этих статей необходимо немного приложить усилий для вникания в молекулярные механизмы синтеза белка. Данная статья является вступительной для серии автопубликаций, посвященных возникновению генетического кода, и с неё лучше всего начинать знакомство с этой темой.
Обычно генетический код
(ГК) определяют как способ (правило) кодирования белка на первичной структуре ДНК или РНК. В литературе чаще всего пишут, что это - однозначное соответствие последовательности из трёх нуклеотидов в гене одной аминокислоте в синтезируемом белке или месту окончания синтеза белка. Однако в таком определении есть две ошибки. При этом подразумеваются 20, так называемых канонических аминокислот, которые входят в состав белков всех без исключения живых организмов. Эти аминокислоты являются мономерами белка. Ошибки следующие:
1) Канонических аминокислот не 20, а только 19. Аминокислотой мы можем называть вещество, которое одновременно содержит аминогруппу -NH 2 и карбоксильную группу - COOH. Дело в том, что мономер белка - пролин - аминокислотой не является, поскольку в нём вместо аминогруппы присутствует иминогруппа, поэтому пролин правильней называть иминокислотой. Однако в дальнейшем во всех статьях, посвящённых ГК, для удобства я буду писать о 20 аминокислотах, подразумевая указанный ньюанс. Структуры аминокислоты приведены на рис. 1.
Рис. 1. Структуры канонических аминокислот. Аминокислоты имеют константные части, обозначенные на рисунке чёрным цветом, и вариабельные (или радикалы), обозначенные красным.
2) Соответствие аминокислот кодонам не всегда является однозначным. О нарушении случаев однозначности см. ниже.
Возникновение ГК означает возникновение кодируемого синтеза белка. Это событие является одним из ключевых для эволюционного формирования первых живых организмов.
Структура ГК представлена в круговой форме на рис. 2.
Рис. 2. Генетический код в круговой форме. Внутренний круг - первая буква кодона, второй круг - вторая буква кодона, третий круг - третья буква кодона, четвертый круг - обозначения аминокислот в трехбуквенном сокращении; П - полярные аминокислоты, НП - неполярные аминокислоты. Для наглядности симметрии важен избранный порядок символов U - C - A - G .
Итак, приступим к описанию основных свойств ГК.
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трёх нуклеотидов.
2. Наличие межгенных знаков препинания. К межгенным знакам препинания относятся последовательности нуклеиновой кислоты, на которых трансляци я начинается или заканчивается.
Трансляци я может начаться не с любого кодона, а только со строго определённого - стартового . К стартовому кодону относится триплет AUG , с которого начинается трансляци я. В этом случае этот триплет кодирует или метионин, или другую аминокислоту - формилметионин (у прокариот), который может включаться только в начале синтеза белка. В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих кодонов , или стоп-сигналов : UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляци ю (так называется синтез белка на рибосоме).
3. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.
4. Неперекрываемость. Кодоны не перекрываются друг с другом, каждый имеет своё упорядочённое множестов нуклеотидов, которое не перекрывается с аналогичными множествами соседних кодонов.
5. Вырожденность. Обратное соответствие в направлении аминокислота-кодон неоднозначно. Это свойство называется вырожденностью. Серия - это множество кодонов, кодирующих одну аминокислоту, другими словами, это группа эквивалентных кодонов . Представим себе кодон в виде XYZ. Если XY определяет “смысл ” (т.е. аминокислоту), то кодон называется сильным . Если же для определения смысл а кодона нужен определенный Z, то такой кодон называется слабым .
Вырожденность кода тесно связана с неоднозначностью спаривания кодон-антикодон (под антикодоном подразумевается последовательность из трёх нуклеотидов на тРНК , которая может комплементарно спариваться с кодоном на матричной РНК (см. более подробно об этом две статьи: Молекулярные механизмы обеспечения вырожденности кода и Правило Лагерквиста. Физико-химическое обоснование симметрий и соотношений Румера ). Один антикодон на тРНК может узнавать отодного до трёх кодонов на мРНК.
6. Однозначность. Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляци и.
Известно три исключения.
Первое. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.В начале гена формилметионин кодируется как обычным метиониновым кодоном AUG , так и ещё валиновым кодоном GUG или лейциновым UUG , которые внутри гена кодируют валин и лейцин, соответственно.
Во многих белках формилметионин отщепляется, либо удаляется формильная группа, в результате чего формилметионин превращается в обычный метионин.
Второе. В 1986 году сразу несколько групп исследователей обнаружили, что на мРНК терминирующий кодон UGA может кодировать селеноцистеин (см. рис. 3) при условии, что за ним следует особая последовательность нуклеотидов.
Рис. 3. Структура 21-й аминокислоты - селеноцистеина.
У E. coli (это латинское название кишечной палочки) селеноцистеил-тРНК в процессе трансляци и распознает в мРНК кодон UGA, но лишь в определенном контекст е: для узнавания UGA-кодона как осмысл енного важна последовательность длиной в 45 нуклеотидов, расположенная вслед за UGA-кодоном.
Рассмотренный пример показывает, что при необходимости живой организм может изменять смысл стандартного генетического кода. В этом случае генетическая информация, заключенная в генах, кодируется более сложным образом. Смысл кодона определяется в контекст е с определенной протяженной последовательностью нуклеотидов и при участии нескольких высокоспецифических белковых факторов. Важно, что селеноцистеиновая тРНК обнаружена в представителях всех трёх ветвей жизни (архей, эубактерий и эукариот), что указывает на древность происхождения селеноцистеинового синтеза, и возможно на присутствие его ещё в последнем универсальном общем предке (о нём речь пойдёт в других статьях). Скорей всего селеноцистеин встречается у всех без исключения живых организмов. Но в каждом отдельном организме селеноцистеин встречается не более, чем в паред есятков белков. Он входит в состав активных центров ферментов, в ряде гомологов которых на аналогичной позиции может функционировать обычный цистеин.
До недавнего времени считалось, что кодон UGA может считываться либо как селеноцистеин, либо кактерминальный, но недавно было показано, что у инфузории Euplotes кодон UGA кодирует или цистеин, илиселеноцистеин. См. " Генетический код допускает разночтения "
Третье исключение. У некоторых прокариот (5 видов архей и одной эубактерии - в Википедии информация сильно устарела) встречается особая кислота - пирролизин (рис. 4). Она кодируется триплетом UAG , который в каноническом коде служит терминатором трансляци и. Предполагается, что в этом случае, подобно случаю с кодированием селеноцистеина, считывание UAG как пирролизинового кодона происходит благодаря особой структуре на мРНК. Пирролизиновая тРНК содержит антикодон CTA и аминоацилируется АРСаз ой 2-го класса (про классификацию АРСаз см. статью "Кодазы помогают понять, как возник генетический код ").
UAG в качестве стоп-кодона используется редко, а если и используется, то часто за ним следует другой стоп-кодон.
Рис. 4. Структура 22-й аминокислоты пирролизина.
7. Универсальность. После того, как в середине 60-х годов прошлого века расшифровка ГК была завершена, долгое время считалось, что код одинаков во всех организмах, что указывает на единство происхождения всего живого на Земле.
Попробуем понять, почему ГК универсален. Дело в том, что если бы в организме изменилось хотя бы одно правило кодирования, то это привело бы к тому, что изменилась структура значительной части белков. Такое изменение было бы слишком кардинальным и поэтому практически всегда летальное, так как изменение смысл а только одного кодона может затронуть в среднем 1/64 часть всех аминокислотных последовательностей.
Отсюда следует одна очень важная мысль - ГК почти не менялся со времени своего формирования более 3,5 млрд. лет назад. А, значит, его структура несёт в себе след его возникновения, и анализ этой структуры может помочь понять, как именно мог возникнуть ГК.
В действительности ГК может несколько отличаться у бактерий, митохондрий, ядерный код некоторых инфузорий и дрожжей. Cейчас насчитывают не менее 17 генетических кодов, отличающихся от канонического на 1-5 кодонов Суммарно во всех известных вариантах отклонений от универсального ГК используются 18 различных замен смысл а кодона. Больше всего отклонений от стандартного кода известно у митохондрий - 10. Примечательно, что митохондрии позвоночных, плоских червей, иглокожих, кодируются разными кодами, а плесневых грибков, простейших и кишечнополостных - одним.
Эволюционная близость видов - отнюдь не гарант того, чтобы у них были сходные ГК. Генетические коды могут различаться даже у разных видов микоплазм (одни виды имеют канонический код, а другие - отличающиеся). Аналогичная ситуация наблюдается и для дрожжей.
Важно отметить, что митохондрии - потомки симбиотических организмов, которые приспособились жить внутри клеток. Они имеют сильно редуцированный геном , часть генов переселилась в ядро клетки. Поэтому изменения ГК в них становятся уже не столь кардинальными.
Обнаруженные позднее исключения представляют особый интерес с точки зрения эволюции, поскольку могу помочь пролить свет на механизмы эволюции кода.
Таблица 1.
Митохондриальные коды у различных организмов.
Кодон | Универсальный код | Митохондриальные коды |
|||
Позвоночные | Беспозвоночные | Дрожжи | Растения |
||
UGA | STOP | Trp | Trp | Trp | STOP |
AUA | Ile | Met | Met | Met | Ile |
CUA | Leu | Leu | Leu | Thr | Leu |
AGA | Arg | STOP | Ser | Arg | Arg |
AGG | Arg | STOP | Ser | Arg | Arg |
Три механизма смены аминокислоты, кодируемой кодом.
Первый - когда какой-то кодон не используется (или почти не используется) каким-то организмом в силу неравномерности встречаемости каких-то нуклеотидов (GC -состав), или комбинаций нуклеотидов. В результате такой кодон может вовсе исчезнуть из употребления (например, благодаря потере соответствующей тРНК ), а в дальнейшем может использоваться для кодирования другой аминокислоты без нанесения существенного ущерба организму. Этот механизм возможно отвечает за появление некоторых диалектов кодов у митохондрий.
Второй - превращение стоп-кодона в смысл овой. В этом случае часть у части транслируемых белков могут появиться дополнения. Однако ситуацию частично спасает то, что многие гены часто заканчиваются не одним, а двумя стоп-кодонами, поскольку возможны ошибки трансляци и, при которых стоп-кодоны считываются как аминокислоты.
Третий - возможно неоднозначное считывание определённых кодонов, как это имееют место у некоторых грибов.
8 . Связность. Группы эквивалентных кодонов (то есть кодонов, кодирующих одну и ту же аминокислоту) называются сериями . ГК содержит 21 серию, включая стоп-кодоны. В дальнейшем для определенности любая группа кодонов будет называться связной, если от каждого кодона этой группы можно перейти ко всем другим кодонам этой же группы путем последовательных замен нуклеотидов. Из 21 серии связны 18. 2 серии содержат по одному кодону, и лишь 1 серия для аминокислоты серин является несвязной и распадается на 2 две связные подсерии.
Рис. 5. Графы связности для некоторых кодовых серий. а - связная серия валина; б - связная серия лейцина; серия серина несвязная, распадается на две связных подсерии. Рисунок взят из статьи В.А. Ратнера " Генетический код как система ".
Свойство связности можно объяснить тем, что в период формирования ГК захватывал новые кодоны, которые минимально отличались от уже используемых.
9. Регулярность свойств аминокислот по корням триплетов. Все аминокислоты, кодируемые триплетами скорнем U, являются неполярными, не крайних свойств и размеров, имеюталифатические радикалы. Все триплеты с корнем C имеют сильные основы, ааминокислоты, кодируемые ими, имеют относительно малые размеры. Все триплеты с корнем A имеют слабые основы, кодируют полярные аминокислоты не малых размеров. Кодоны с корнем G характеризуются крайними и аномальнными вариантами аминокислот и серий. Они кодируют самую маленькую аминокислоту (глицин), самую длинную и плоскую (триптофан), самую длинную и «корявую» (аргинин), самую реактивную (цистеин), образует аномальную подсерию для серина.
10. Блочность. Универсальный ГК является «блоковым» кодом. Это означает, что аминокислоты со сходными физико-химическими свойствами, кодируются кодонами, отличающимися друг от друга одним основанием. Блочность кода хорошо видна на следующем рисунке.
Рис. 6. Блочная структура ГК. Белым цветом обозначены аминокислоты с алкильной группой.
Рис. 7. Цветовое представление физико-химических свойств аминокислот, основанное на значениях, описанных в кн книге Стайерса "Биохимия" . Слева - гидрофобность. Справа - способность к формированию альфа-спирали в белке. Красный, жёлтый и голубой цвета обозначают аминокислоты с большой, средней и малой гидрофобностью (слева) или соответствующей степенью способности к формированию альфа-спирали (справа).
Свойство блочности и регулярности также можно объяснить тем, что в период формирования ГК захватывал новые кодоны, которые минимально отличались от уже используемых.
Кодоны с одинаковыми первыми основаниями (приставками кодонов) кодируют аминокислоты с близкими путями биосинтеза . Кодоны аминокислот, принадлежащих к шикиматному , пируватному , аспартатному и глутаматному семействам, имеют в качестве приставок U, G, A и C, соответственно. О путях древнего биосинтеза аминокислот и его связи со свойствами современного кода см. "Древний дублетный генетический код был предопределён путями синтеза аминокислот ". На основе этих данных некоторые исследователи делают вывод о том, что на формирование кода большое влияние оказали биосинтетические взаимоотношения между аминокислотами . Однако сходство биосинтетических путей вовсе не означает сходство физико-химических свойств .
11. Помехоустойчивость. В самом общем виде помехоустойчивость ГК означает, что при случайных точковых мутациях и ошибках трансляци и не очень сильно меняются физико-химические свойства аминокислот.
Замена одного нуклеотида в триплете в большинстве случаев или не приводит к замене кодируемой аминокислоты, или приводит к замене на аминокислоту с той же полярностью.
Один из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость ГК - его вырожденность. Средняя вырожденность равна - число кодируемых сигналов/общее число кодонов, где к кодируемым сигналам относятся 20 аминокислот и знак терминации трансляци и. Усредненная вырожденность для всех аминокислот и знака терминации составляет три кодона на кодируемый сигнал.
Для того, чтобы количественно оценить помехоустойчивость, введём два понятия. Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными .
Каждый триплет допускает 9 однократных замен. Всего кодирующих аминокислоты триплетов 61. Поэтому количество возможных замен нуклеотидов для всех кодонов -
61 x 9 = 549. Из них:
23 замены нуклеотидов приводят к появлению стоп-кодонов.
134 замены не меняют кодируемую аминокислоту.
230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты.
162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются радикальными.
Из 183 замен 3-его нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляци
и, а 176 - консервативны.
Из 183 замен 1-ого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны и 60 - радикальны.
Из 183 замен 2-го нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 -консервативны, 102 - радикальны.
На основе этих расчётов получим количественную оценку помехоустойчивости кода, как отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен. Оно равно 364/162=2.25
При реальной оценке вклада вырожденности в помехоустойчивость необходимо учитывать частоту встречаемости аминокислот в белках, которая варьирует в разных видах.
В чем причина помехоустойчивости кода? Большинство исследователей считают, что это свойство является следствием селекции альтернативных ГК .
Стивен Фриленд и Лоренс Херст генерировали случайные такие коды и выясняли, что только один из ста альтернативных кодов обладает не меньшей помехоустойчивостью по сравнению с универсальным ГК.
Еще более интересный факт обнаружился, когда эти исследователи ввели дополнительное ограничение, с тем чтобы учесть реально существующие тенденции в характере мутирования ДНК и появлении ошибок при трансляци
и. При таких условиях лучше канонического кода оказался ТОЛЬКО ОДИН КОД ИЗ МИЛЛИОНА ВОЗМОЖНЫХ.
Столь беспрецедентную жизнестойкость генетического кода проще всего объяснить тем, что он сформировался в результате естественного отбора. Возможно когда-то в биологическом мире существовало множество кодов, каждый со своей чувствительностью к ошибкам. Организм, лучше справлявшийся с ними, имел больше шансов выжить, и канонический код просто победил в борьбе за существование. Это предположение кажется вполне реальным - ведь мы знаем, что альтернативные коды действительно существуют. Подробнее о помехоустойчивости см. Закодированная эволюция (С.Фриленд, Л. Херст "Закодированная эволюция".//В мире науки. - 2004, №7).
В заключение, предлагаю посчитать число возможных генетических кодов, которые можно сгенерировать для 20 канонических аминокислот. Почему-то это число нигде мне не попадалось. Итак, нам необходимо, чтобы в генерируемых ГК были обязательно 20 аминокислот и стоп-сигнал, кодируемые ХОТЯ БЫ ОДНИМ КОДОНОМ.
Мысленно будем нумеровать кодоны в каком-то порядке. Рассуждать будем следующим образом. Если у нас имеется ровно 21 кодон, то тогда каждая аминокислота и стоп-сигнал будут занимать ровно по одному кодону. В этом случае возможных ГК будет 21!
Если будет 22 кодона, то появляется лишний кодон, который может иметь один из любых 21 смысл ов, причём этот кодон может располагаться на любом из 22 мест, тогда как остальные кодоны имеют ровно по одному разному смысл у, как и для случая 21 кодонов. Тогда получим число комбинаций 21!х(21х22).
Если кодонов будет 23, то рассуждая аналогично, получим, что 21 кодон имеют ровно по одному разных смысл ов (21! вариантов), а два кодона - по 21 разных смысл а (21 2 смысл ов при ФИКСИРОВАННОМ положении этих кодонов). Число различных положений для этих двух кодонов будет 23х22. Общее число вариантов ГК для 23 кодонов - 21!х21 2 х23х22
Если кодонов будет 24 - то число ГК будет равно 21!х21 3 х24х23х22,...
....................................................................................................................
Если кодонов будет 64, то число возможных ГК будет 21!х21 43 х64!/21! = 21 43 х64! ~ 9.1х10 145
В любой клетке и организме все особенности анатомического, морфологического и функционального характера определяются структурой белков, которые входят в них. Наследственным свойством организма является способность к синтезу определенных белков. В аминокислоты расположены в полипептидной цепочке, от которой зависят биологические признаки.
Для каждой клетки характерна своя последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Это и есть генетический код ДНК. Посредством его записывается информация о синтезе тех или иных белков. О том, что такое генетический код, о его свойствах и генетической информации рассказывается в этой статье.
Немного истории
Идея о том, что, возможно, генетический код существует, была сформулирована Дж.Гамовым и А.Дауном в середине двадцатого столетия. Они описали, что последовательность нуклеотидов, отвечающая за синтез определенной аминокислоты, содержит по меньшей мере три звена. Позже доказали точное количество из трех нуклеотидов (это единица генетического кода), которое назвали триплет или кодон. Всего нуклеотидов насчитывается шестьдесят четыре, потому что молекулы кислот, где происходит или РНК, состоит из остатков четырех различных нуклеотидов.
Что такое генетический код
Способ кодирования последовательности белков аминокислот благодаря последовательности нуклеотидов характерен для всех живых клеток и организмов. Вот что такое генетический код.
В ДНК есть четыре нуклеотида:
- аденин - А;
- гуанин - Г;
- цитозин - Ц;
- тимин - Т.
Они обозначаются заглавными буквами латинскими или (в русскоязычной литературе) русскими.
В РНК также присутствуют четыре нуклеотида, однако один из них отличается от ДНК:
- аденин - А;
- гуанин - Г;
- цитозин - Ц;
- урацил - У.
Все нуклеотиды выстраиваются в цепочки, причем в ДНК получается двойная спираль, а в РНК — одинарная.
Белки строятся на двадцати аминокислотах, где они, расположенные в определенной последовательности, определяют его биологические свойства.
Свойства генетического кода
Триплетность. Единица генетического кода состоит из трех букв, он триплетен. Это означает, что двадцать существующих аминокислот зашифрованы тремя определенными нуклеотидами, которые называются кодонами или трилпетами. Существуют шестьдесят четыре комбинации, которые можно создать из четырех нуклеотидов. Этого количества более чем достаточно для того, чтобы закодировать двадцать аминокислот.
Вырожденность. Каждая аминокислота соответствует более чем одному кодону, за исключением метионина и триптофана.
Однозначность. Один кодон шифрует одну аминокислоту. Например, в гене здорового человека с информацией о бета-цели гемоглобина триплет ГАГ и ГАА кодирует А у всех, кто болен серповидноклеточной анемией, один нуклеотид заменен.
Коллинеарность. Последовательность аминокислот всегда соответствует последовательности нуклеотидов, которую содержит ген.
Генетический код непрерывен и компактен, что означает то, что он не имеет «знаков препинания». То есть, начинаясь на определенном кодоне, идет непрерывное считывание. К примеру, АУГГУГЦУУААУГУГ будет считываться как: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Но никак не АУГ, УГГ и так далее или как-то еще иначе.
Универсальность. Он един абсолютно для всех земных организмов, от людей до рыб, грибов и бактерий.
Таблица
В представленной таблице присутствуют не все имеющиеся аминокислоты. Гидроксипролин, гидроксилизин, фосфосерин, иодопроизводных тирозина, цистин и некоторые другие отсутствуют, так как они являются производными других аминокислот, кодирующихся м-РНК и образующихся после модификации белков в результате трансляции.
Из свойств генетического кода известно, что один кодон способен кодировать одну аминокислоту. Исключением является выполняющий дополнительные функции и кодирующий валин и метионин, генетический код. ИРНК, находясь в начале с кодоном, присоединяет т-РНК, которая несет формилметион. По завершении синтеза он отщепляется сам и захватывает за собой формильный остаток, преобразуясь в остаток метионина. Так, вышеупомянутые кодоны являются инициаторами синтеза цепи полипептидов. Если же они находятся не в начале, то ничем не отличаются от других.
Генетическая информация
Под этим понятием подразумевается программа свойств, которая передается от предков. Она заложена в наследственности как генетический код.
Реализуется при синтезе белка генетический код :
- информационной и-РНК;
- рибосомальной р-РНК.
Информация передается прямой связью (ДНК-РНК-белок) и обратной (среда-белок-ДНК).
Организмы могут получать, сохранять, передавать ее и использовать при этом наиболее эффективно.
Передаваясь по наследству, информация определяет развитие того или иного организма. Но из-за взаимодействия с окружающей средой реакция последнего искажается, благодаря чему и происходит эволюция и развитие. Таким образом в организм закладывается новая информация.
Вычисление закономерностей молекулярной биологии и открытие генетического кода проиллюстрировали то, что необходимо соединить генетику с теорией Дарвина, на основе чего появилась синтетическая теория эволюции — неклассическая биология.
Наследственность, изменчивость и естественный отбор Дарвина дополняются генетически определяемым отбором. Эволюция реализуется на генетическом уровне путем случайных мутаций и наследованием самых ценных признаков, которые наиболее адаптированы к окружающей среде.
Расшифровка кода у человека
В девяностых годах был начат проект Human Genome, в результате чего в двухтысячных были открыты фрагменты генома, содержащие 99,99% генов человека. Неизвестными остались фрагменты, которые не участвуют в синтезе белков и не кодируются. Их роль пока остается неизвестной.
Последняя открытая в 2006 году хромосома 1 является самой длинной в геноме. Более трехсот пятидесяти заболеваний, в том числе рак, появляются в результате нарушений и мутаций в ней.
Роль подобных исследований трудно переоценить. Когда открыли, что такое генетический код, стало известно, по каким закономерностям происходит развитие, как формируется морфологическое строение, психика, предрасположенность к тем или иным заболеваниям, обмен веществ и пороки индивидов.
