Основные свойства генетического кода и их значение. Код в коде: раскрыт второй генетический код
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
Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.
Свойства генетического кода.
Генетический код имеет несколько свойств.
Триплетность.
Вырожденность или избыточность.
Однозначность.
Полярность.
Неперекрываемость.
Компактность.
Универсальность.
Следует отметить, что некоторые авторы предлагают ещё и другие свойства кода, связанные с химическими особенностями входящих в код нуклеотидов или с частотой встречаемости отдельных аминокислот в белках организма и т.д. Однако эти свойство вытекают из вышеперечисленных, поэтому там мы их и рассмотрим.
а. Триплетность. Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет – это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.
Элементарную структурную единицу вначале расшифровали теоретически, а затем её существование подтвердили экспериментально. И действительно, 20 аминокислот невозможно закодировать одним или двумя нуклеотидом т.к. последних всего 4. Три нуклеотида из четырёх дают 4 3 = 64 варианта, что с избытком перекрывает число имеющихся у живых организмах аминокислот (см.табл. 1).
Представленные в таблице 64 сочетания нуклеотидов имеют две особенности. Во-первых, из 64 вариантов триплетов только 61 являются кодонами и кодируют какую либо аминокислоту, их называют смысловые кодоны . Три триплета не кодируют
аминокислот а являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА , их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называютнонсенс-мутация . Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться – синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» — Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).
Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие тРНК. Для нонсенс-кодонов тРНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка тРНК не принимает участие.
Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции .
б. Вырожденность или избыточность.
61 из 64 триплетов кодируют 20 аминокислот. Такое трёхразовое превышение числа триплетов над количеством аминокислот позволяет предположить, что в переносе информации могут быть использованы два варианта кодирования. Во-первых, не все 64 кодона могут быть задействованы в кодировании 20 аминокислот, а только 20 и, во-вторых, аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами. Исследования показали, что природа использовала последний вариант.
Его предпочтение очевидно. Если бы из 64 варианта триплетов в кодировании аминокислот участвовало только 20, то 44 триплета (из 64) оставались бы не кодирующими, т.е. бессмысленными (нонсенс-кодонами). Ранее мы указывали, насколько опасно для жизнедеятельности клетки превращение кодирующего триплета в результате мутации в нонсенс-кодон — это существенно нарушает нормальную работу РНК-полимеразы, приводя в конечном итоге к развитию заболеваний. В настоящее время в нашем геноме три кодона являются бессмысленными, а теперь представьте, что было бы если число нонсенс-кодонов увеличится в примерно в 15 раз. Понятно, что в такой ситуации переход нормальных кодонов в нонсенс-кодоны будет неизмеримо выше.
Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. Так, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валин кодируется четырьмя триплетами, фенилаланин - двумя и только триптофан и метионин кодируются одним кодоном. Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит названиевырожденность.
Число кодонов, предназначенных для одной аминокислоты, хорошо коррелируется с частотой встречаемости аминокислоты в белках.
И это, скорее всего, не случайно. Чем больше частота встречаемости аминокислоты в белке, тем чаще представлен кодон этой аминокислоты в геноме, тем выше вероятность его повреждения мутагенными факторами. Поэтому понятно, что мутированный кодон имеет больше шансов кодировать туже аминокислоту при высокой его вырожденности. С этих позиций вырожденность генетического кода является механизмом защищающим геном человека от повреждений.
Необходимо отметить, что термин вырожденность используется в молекулярной генетики и в другом смысле. Так основная часть информации в кодоне приходится на первые два нуклеотида, основание в третьем положении кодона оказывается малосущественным. Этот феномен называют “вырожденностью третьего основания”. Последняя особенность сводит до минимума эффект мутаций. Например, известно, что основной функцией эритроцитов крови является перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Осуществляет эту функцию дыхательный пигмент - гемоглобин, который заполняет всю цитоплазму эритроцита. Состоит он из белковой части – глобина, который кодируется соответствующим геном. Кроме белка в молекулу гемоглобина входит гем, содержащий железо. Мутации в глобиновых генах приводят к появлению различных вариантов гемоглобинов. Чаще всего мутации связаны с заменой одного нуклеотида на другой и появлением в гене нового кодона , который может кодировать новую аминокислоту в полипептидной цепи гемоглобина. В триплете, в результате мутации может быть заменён любой нуклеотид – первый, второй или третий. Известно несколько сотен мутаций, затрагивающих целостность генов глобина. Около400 из них связаны с заменой единичных нуклеотидов в гене и соответствующей аминокислотной заменой в полипептиде. Из них только100 замен приводят к нестабильности гемоглобина и различного рода заболеваниям от легких до очень тяжелых. 300 (примерно 64%) мутаций-замен не влияют на функцию гемоглобина и не приводят к патологии. Одной из причин этого является упомянутая выше “вырожденность третьего основания”, когда замена третьего нуклеотида в триплете кодирующем серин, лейцин, пролин, аргинин и некоторые другие аминокислоты приводит к появлению кодона-синонима, кодирующего ту же аминокислоту. Фенотипически такая мутация не проявится. В отличие от этого любая замена первого или второго нуклеотида в триплете в 100 % случаях приводит к появлению нового варианта гемоглобина. Но и в этом случае тяжёлых фенотипических нарушений может и не быть. Причиной этому является замена аминокислоты в гемоглобине на другую сходную с первой по физико-химическим свойствам. Например, если аминокислота, обладающая гидрофильными свойствами, заменена на другую аминокислоту, но с такими же свойствами.
Гемоглобин состоит из железопорфириновой группы гема (к ней и присоединяются молекулы кислорода и углекислоты) и белка - глобина. Гемоглобин взрослого человека (НвА) содержит две идентичные -цепи и две -цепи. Молекула -цепи содержит 141 аминокислотных остатков, -цепочка - 146, — и -цепи различаются по многим аминокислотным остаткам. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Ген, кодирующий -цепь располагается в коротком плече 16 хромосомы, -ген - в коротком плече 11 хромосомы. Замена в гене, кодирующем -цепь гемоглобина первого или второго нуклеотида практически всегда приводит к появлению в белка новых аминокислот, нарушению функций гемоглобина и тяжёлым последствия для больного. Например, замена “Ц” в одном из триплетов ЦАУ (гистидин) на “У” - приведет к появлению нового триплета УАУ, кодирующего другую аминокислоту - тирозин Фенотипически это проявится в тяжёлом заболевании.. Аналогичная замена в 63 положении -цепи полипептида гистидина на тирозин приведет к дестабилизации гемоглобина. Развивается заболевание метгемоглобинемия. Замена, в результате мутации, глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении -цепи является причиной тяжелейшего заболевания - серповидно-клеточной анемии. Не будем продолжать печальный список. Отметим только, что при замене первых двух нуклеотидов может появится аминокислота по физико-химическим свойствам похожая на прежнюю. Так, замена 2-го нуклеотида в одном из триплетов, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА) в -цепи на “У” приводит к появлению нового триплета (ГУА), кодирующего валин, а замена первого нуклеотида на “А” формирует триплет ААА, кодирующий аминокислоту лизин. Глутаминовая кислота и лизин сходны по физико-химическим свойствам - они обе гидрофильны. Валин - гидрофобная аминокислота. Поэтому, замена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин, значительно меняет свойства гемоглобина, что, в конечном итоге, приводит к развитию серповидноклеточной анемии, замена же гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофильный лизин в меньшей степени меняет функцию гемоглобина - у больных возникает легкая форма малокровия. В результате замены третьего основания новый триплет может кодировать туже аминокислоты, что и прежней. Например, если в триплете ЦАУ урацил был заменён на цитозин и возник триплет ЦАЦ, то практически никаких фенотипических изменений у человека выявлено не будет. Это понятно, т.к. оба триплета кодируют одну и туже аминокислоту – гистидин.
В заключении уместно подчеркнуть, что вырожденность генетического кода и вырожденность третьего основания с общебиологических позиция являются защитными механизмами, которые заложены в эволюции в уникальной структуре ДНК и РНК.
в. Однозначность.
Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный).
Однозначен
Кодон аминокислота
Вырожденный
И в этом случае необходимость однозначности в генетическом коде очевидна. При другом варианте при трансляции одного и того же кодона в белковую цепочку встраивались бы разные аминокислоты и в итоге формировались белков с различной первичной структурой и разной функцией. Метаболизм клетки перешёл бы в режим работы «один ген – несколько поипептидов». Понятно, что в такой ситуации регулирующая функция генов была бы полностью утрачена.
г. Полярность
Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). Ранее мы говорили о том, что структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка. Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).
Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур.
д. Неперекрываемость.
Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов.
Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона. Если бы код был перекрывающим, то последовательность из семи нуклеотидов (ГЦУГЦУГ) могла кодировать не две аминокислоты (аланин-аланин) (рис.33,А) как в случае с не перекрывающимся кодом, а три (если общим является один нуклеотид) (рис. 33, Б) или пять (если общими являются два нуклеотида) (см. рис. 33, В). В последних двух случаях мутация любого нуклеотида привела бы к нарушению в последовательности двух, трёх и т.д. аминокислот.
Однако установлено, что мутация одного нуклеотида всегда нарушает включение в полипептид одной аминокислоты. Это существенный довод в пользу того, что код является не перекрывающимся.
Поясним это на рисунке 34. Жирными линиями показаны триплеты кодирующие аминокислоты в случае не перекрывающегося и перекрывающегося кода. Эксперименты однозначно показали, что генетический код является не перекрывающимся. Не вдаваясь в детали эксперимента отметим, что если заменить в последовательности нуклеотидов (см. рис.34) третий нуклеотид У (отмечен звёздочкой) на какой-либо другой то:
1. При неперекрывающемся коде контролируемый этой последовательностью белок имел бы замену одной (первой) аминокислоте (отмечена звёздочками).
2. При перекрывающемся коде в варианте А произошла бы замена в двух (первой и второй) аминокислотах (отмечены звёздочками). При варианте Б замена коснулась бы трёх аминокислот (отмечены звёздочками).
Однако многочисленные опыты показали, что при нарушении одного нуклеотида в ДНК, нарушения в белке всегда касаются только одной аминокислоты, что характерно для неперекрывающегося кода.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Аланин – Аланин Ала – Цис – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей
А Б В
Не перекрывающийся код Перекрывающийся код
Рис. 34. Схема, объясняющая наличие в геноме не перекрывающегося кода (объяснение в тексте).
Неперекрываемость генетического кода связана с ещё одним свойством – считывание информации начинается с определённой точки – сигнала инициации. Таким сигналом инициации в иРНК является кодон, кодирующий метионин АУГ.
Следует отметить, что у человека всё-таки имеется небольшое число генов, которые отступают от общего правила и перекрываются.
е. Компактность.
Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.
ж. Универсальность.
Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений. Есть и исключения, но их не много.
Первые исключения из универсальности генетического кода были обнаружены в митохондриях некоторых видов животных. Это касалось кодона терминатора УГА, который читался так же как кодон УГГ, кодирующий аминокислоту триптофан. Были найдены и другие более редкие отклонения от универсальности.
Кодовая система ДНК.
Генетический код днк состоит из 64 триплетов нуклеотидов. Эти триплеты называют кодонами. Каждый кодон кодирует одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белков. Это дает некоторую избыточность в коде: большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном.
Один кодон выполняет две взаимосвязанные функции: сигнализирует о начале перевода и кодирует включения аминокислоты метионина (Met) в растущую полипептидную цепь. Кодовая система днк устроена так, что генетический код может быть выражен либо как РНК-кодонами, либо кодонамиДНК. РНК-кодоны встречаются в РНК (мРНК) и эти кодоны способны читать информацию в процессе синтеза полипептидов (процесс, называемый переводом). Но каждая молекула мРНК приобретает последовательность нуклеотидов в транскрипции с соответствующего гена.
Все, кроме двух аминокислот (Met и Trp) могут быть закодированы посредством от 2 до 6 различных кодонов. Тем не менее, геном большинства организмов показывает, что определенные кодоны предпочтительны по сравнению с другими. У человека, например, аланин кодируется GCC четыре раза чаще, чем в GCG. Это, вероятно, свидетельствует о большей эффективности перевода аппарата трансляции (например, рибосомы) для некоторых кодонов.
Генетический код является почти универсальным. Те же кодоны назначены на тот же участок аминокислот и тем же сигналы пуска и остановки в подавляющем большинстве совпадают у животных, растений и микроорганизмов. Тем не менее, некоторые исключения были найдены. Большинство из них включают назначение одного или двух из трех стоп-кодонов к аминокислоте.
Ведущий научный журнал Nature сообщил об обнаружении второго генетического кода – такого себе «кода внутри кода», который был недавно взломан молекулярными биологами и компьютерными программистами. Более того, для того чтобы его выявить, они использовали не эволюционную теорию, а информационные технологии.
Новый код получил название Код Сплайсинга. Он находится внутри ДНК. Этот код контролирует основной генетический код очень сложным, однако, предсказуемым образом. Код сплайсинга управляет тем, как и когда происходит сборка генов и регулирующих элементов. Раскрытие этого кода внутри кода помогает пролить свет на некоторые давнишние тайны генетики, которые всплыли на поверхность после проведения Проекта по расшифровке полной последовательности генома человека. Одна из таких тайн заключалась в том, почему в таком сложном организме, как человеческий, существует всего лишь 20 000 генов? (Ученые ожидали обнаружить намного больше.) Почему гены разбиваются на сегменты (экзоны), которые разделяются некодирующими элементами (интроны), а затем после транскрипции соединяются вместе (т.е. сплайсируются)? И почему гены включаются в одних клетках и тканях, и не включаются в других? На протяжении двух десятилетий молекулярные биологи пытались выяснить механизмы генетической регуляции. Эта статья указывает на очень важный момент в понимании того, что происходит на самом деле. Она не дает ответы на все вопросы, но она демонстрирует, что внутренний код существует. Этот код – система передачи информации, которую можно так понятно расшифровать, что ученые могли бы прогнозировать, как в определенных ситуациях и с необъяснимой точностью может вести себя геном.
Представьте, что в соседней комнате вы слышите оркестр. Вы открываете дверь, заглядываете внутрь и видите в комнате трех или четырех музыкантов, играющих на музыкальных инструментах. Это то, на что, по словам Брендона Фрея, участвовавшего в раскрытии кода, похож человеческий геном. Он говорит: «Мы смогли обнаружить только 20,000 генов, но мы знали, что они образуют огромное количество белковых продуктов и регулирующих элементов. Как? Один из методов называется альтернативным сплайсингом» . Различные экзоны (части генов) могут собираться разными способами. «Например, три гена белка нейрексина могут создавать более 3000 генетических посланий, которые помогают управлять системой связей мозга» , - говорит Фрей. Тут же в статье говорится о том, что ученым известно, что 95% наших генов имеют альтернативный сплайсинг, и в большинстве случаев в разных типах клеток и тканей транскрипты (молекулы РНК, образующиеся в результате транскрипции) экспрессируются по-разному. Должно быть что-то, что управляет тем, как собираются и экспрессируются эти тысячи комбинаций. В этом и состоит задача Кода Сплайсинга.
Читатели, которые хотят получить беглый обзор открытия, могут прочитать статью в Science Daily под названием «Исследователи, взломавшие ‘Код сплайсинга’, раскрывают тайну, лежащую в основе биологической сложности» . В статье говорится: «Ученые из университета Торонто получили фундаментально новое представление о том, как живые клетки используют ограниченное число генов для образования таких невероятно сложных органов, как мозг» . Сам журнал Nature начинается со статьи Хейди Ледфорда «Код внутри кода». Затем последовала статья Техедора и Валькарсела под названием «Регуляция генов: взлом второго генетического кода. И, наконец, решающей стала статья группы исследователей из университета Торонто под руководством Бенджамина Д. Бленкоу и Брендона Д. Фрея, «Расшифровывая код сплайсинга».
Эта статья – победа информационной науки, которая напоминает нам дешифровальщиков времен Второй Мировой Войны. Их методы включали алгебру, геометрию, теорию вероятностей, векторное исчисление, теорию информации, оптимизацию кода программы, и другие передовые методы. В чем они не нуждались, так это в эволюционной теории , которая никогда не упоминалась в научных статьях. Читая эту статью, можно увидеть, под каким сильным напряжением находятся авторы этой увертюры:
«Мы описываем схему ‘кода сплайсинга’, в которой используются комбинации сотен свойств РНК для того, чтобы предсказать обусловленные тканями изменения в альтернативном сплайсинге тысячи экзонов. Код устанавливает новые классы схем сплайсинга, распознает разные регулирующие программы в разных тканях и устанавливает контролируемые мутациями регулирующие последовательности. Мы раскрыли широко распространенные регулирующие стратегии, включая: использование непредвиденно крупных объединений свойств; выявление низких уровней включения экзона, которые ослабляются свойствами специфических тканей; проявление свойств в интронах глубже, чем считалось раньше; и модуляция уровней сплайс-варианта структурными характеристиками транскрипта. Код помог установить класс экзонов, включение которых заглушает экспрессию в тканях взрослого организма, активируя деградацию мРНКа, и исключение которых способствует экспрессии во время эмбриогенеза. Код облегчает раскрытие и детальное описание регулируемых событий альтернативного сплайсинга в масштабах всего генома».
В команде, взломавшей код, участвовали специалисты с кафедры электронной и вычислительной техники, а также с кафедры молекулярной генетики. (Сам же Фрей работает в подразделении корпорации Microsoft, Microsoft Research) Подобно дешифровальщикам прошлого времени, Фрей и Бараш разработали «новый метод биологического анализа, проводимого с помощью компьютера, который обнаруживает ‘кодовые слова’, запрятанные внутри генома» . С помощью огромного количества данных, созданных молекулярными генетиками, группа исследователей проводила «обратную разработку» кода сплайсинга до тех пор, пока они не смогли предсказать, как он будет действовать . Как только исследователи с этим справились, они проверили этот код на мутациях и увидели, как вставляются или удаляются экзоны. Они обнаружили, что код даже может вызывать тканеспецифические изменения или действовать по-разному в зависимости от того, взрослая это мышь или эмбрион. Один ген, Xpo4, связан с раком; исследователи отметили: «Эти данные подтверждают вывод о том, что экспрессия Xpo4 гена должна строго контролироваться во избежание возможных губительных последствий, включая онкогенез (рак), так как он активен во время эмбриогенеза, но его количество снижено в тканях взрослого организма. Оказывается, что они были абсолютно удивлены уровнем контроля, который они увидели. Намеренно или нет, но в качестве ключа к разгадке Фрей использовал не случайную изменчивость и отбор, а язык разумного замысла. Он отметил: «Понимание сложной биологической системы подобно пониманию сложной электронной схемы».
Хейди Ледфорд сказал, что кажущаяся простота генетического кода Уотсона-Крика, с его четырьмя основаниями, триплетными кодонами, 20 аминокислотами и 64 «символами» ДНК – скрывает под собой целый мир сложности . Заключенный внутри этого более простого кода, Код сплайсинга намного сложнее.
Но между ДНК и белками находится РНК – отдельный мир сложности. РНК – это трансформер, который иногда переносит генетические послания, а иногда управляет ими, задействуя при этом множество структур, способных влиять на его функцию. В статье, опубликованной в этом же выпуске, группа исследователей под руководством Бенджамина Д. Бленкоу и Брендона Д. Фрея из университета Торонто в Онтарио, Канада, сообщает о попытках разгадать второй генетический код, который может предсказывать, как сегменты информационной РНК, транскрибированные с определенного гена, могут смешиваться и сочетаться, чтобы образовывать разнообразные продукты в разных тканях. Это процесс известен как альтернативный сплайсинг. На этот раз нет никакой простой таблицы – вместо неё алгоритмы, которые объединяют более чем 200 различных свойств ДНК с определениями структуры РНК.
Работа этих исследователей указывает на быстрый прогресс, которого достигли вычислительные методы в составлении модели РНК. В дополнение к пониманию альтернативного сплайсинга, информатика помогает ученым предсказывать структуры РНК и устанавливать маленькие регулирующие фрагменты РНК, которые не кодируют протеины. «Это замечательное время» , - говорит Кристофер Берг, компьютерный биолог из массачусетского института технологий в Кембридже. «В будущем нас ждёт огромный успех» .
Информатика, компьютерная биология, алгоритмы и коды – эти концепции не были частью дарвиновского словаря, когда он разрабатывал свою теорию. У Менделя была очень упрощенная модель того, как распределяются признаки во время унаследования. К тому же, идея о том, что признаки кодируются, была представлена только в 1953 году. Мы видим, что исходный генетический код регулируется еще более сложным, включенным в него, кодом. Это революционные идеи . К тому же есть все признаки того, что этот уровень контроля не последний . Ледфорд напоминает нам, что например, РНК и белки имеют трехмерную структуру. Функции молекул могут изменяться, когда изменяется их форма Должно существовать что-то, что контролирует складывание, так что трехмерная структура выполняет то, что требует функция. К тому же, доступ к генам, по-видимому, контролируется другим кодом, гистоновым кодом . Этот код закодирован молекулярными маркерами или «хвостами» на гистоновых белках, которые служат центрами для скручивания и суперскручивания ДНК. Описывая наше время, Ледфорд говорит о «постоянном возрождении в информатике РНК» .
Техедор и Валькарсел согласны с тем, что за простотой кроется сложность. «По идее все выглядит очень просто: ДНК образует РНК, которая затем создает белок» , - начинают они свою статью. «Но в реальности всё намного сложнее» . В 1950-х годах мы узнали о том, что все живые организмы, от бактерий до человека, имеют основной генетический код. Но вскоре мы поняли, что сложные организмы (эукариоты) обладают каким-то неестественным и трудным для понимания свойством: их геномы имеют своеобразные участки, интроны, которые должны удаляться, чтобы экзоны могли соединиться вместе. Почему? Сегодня туман рассеивается: «Основное преимущество этого механизма заключается в том, что он позволяет разным клеткам выбирать альтернативные способы сплайсинга предшественника матричной РНК (пре-мРНК) и таким образом один ген образует различные послания», - объясняют они, - «а затем различные мРНК могут кодировать разные белки с различными функциями» . Из меньшего кода вы получаете больше информации, при условии, что внутри кода есть этот другой код, который знает, как это сделать.
Что и делает взлом кода сплайсинга настолько трудным, так это то, что факторы, контролирующие сборку экзонов, устанавливаются множеством других факторов: последовательностями, расположенными рядом с границами экзона, последовательностями интронов и регулирующими факторами, которые либо помогают, либо тормозят механизм сплайсинга. К тому же, «воздействия определенной последовательности или фактора могут изменяться в зависимости от её расположения относительно границ интрона-экзона или других регуляторных мотивов» , - поясняют Техедор и Валькарсел. «Поэтому самой сложной задачей в предсказании тканеспецифического сплайсинга является вычисление алгебры несметного числа мотивов и взаимоотношений между регуляторными факторами, которые их распознают» .
Для разрешения этой проблемы группа исследователей ввела в компьютер огромное количество данных о последовательностях РНК и условиях, в которых они образовались. «Затем компьютеру было дано задание - определить комбинацию свойств, которые лучше всего могли бы объяснить экспериментально установленный тканеспецифический отбор экзонов» . Другими словами, исследователи провели обратную разработку кода. Подобно дешифровальщикам времен Второй Мировой Войны, как только ученые узнают алгоритм, они могут делать предсказания: «Он правильно и с точностью установил альтернативные экзоны и предсказал их дифференциальное регулирование между парами типов тканей». И так же как любая хорошая научная теория, открытие дало новое понимание: «Это позволило нам по-новому объяснить ранее установленные регуляторные мотивы и указало на ранее неизвестные свойства известных регуляторов, а также неожиданные функциональные связи между ними» , - отметили исследователи. «Например, код подразумевает, что включение экзонов, ведущее к процессированным белкам, является общим механизмом управления процессом экспрессии генов во время перехода из эмбриональной ткани в ткань взрослого организма» .
Техедор и Валькарсел считают публикацию их статьи важным первым шагом: «Работу... лучше рассматривать как открытие первого фрагмента гораздо более крупного Розеттского камня, необходимого для расшифровки альтернативных сообщений нашего генома». По словам этих ученых, будущие исследования, несомненно, улучшат их знания об этом новом коде. В заключение своей статьи они вскользь упоминают эволюцию, и делают это очень необычным образом. Они говорят: «Это не значит, что эволюция создала эти коды. Это означает, что прогресс будет требовать понимания того, как коды взаимодействуют. Другой неожиданностью стало то, что наблюдаемая на сегодня степень сохранения поднимает вопрос о возможном существовании «видоспецифичных кодов» .
Код, вероятно, работает в каждой отдельной клетке и, поэтому, возможно должен отвечать более чем за 200 типов клеток млекопитающих животных. Также он должен справляться с огромным разнообразием схем альтернативного сплайсинга, не говоря уже о простых решениях о включении или пропуске отдельного экзона. Ограниченное эволюционное сохранение регулирования альтернативного сплайсинга (который по подсчетам составляет около 20% между людьми и мышами) поднимает вопрос о существовании видоспецифичных кодов. Более того, связь между процессингом ДНК и транскрипцией генов влияет на альтернативный сплайсинг, и последние данные указывают на упаковку ДНК гистоновыми белками и ковалентными модификациями гистонов (так называемый эпигенетический код) в регуляции сплайсинга. Поэтому будущим методам предстоит установить точное взаимодействие между гистоновым кодом и кодом сплайсинга. То же самое касается еще мало понимаемого влияния сложных структур РНК на альтернативный сплайсинг.
Коды, коды и снова коды. То, что ученые практически ничего не говорят о дарвинизме в этих статьях, указывает на то, что эволюционным теоретикам – приверженцам старых идей и традиций, предстоит много над чем поразмышлять после того, как они прочтут эти статьи. А вот те, кто с восторженностью относится к биологии кодов, окажутся на передовой. У них есть замечательная возможность воспользоваться увлекательным веб-приложением, которое дешифровщики создали для того, чтобы стимулировать проведение дальнейшего исследования. Его можно найти на сайте университета Торонто под названием «Веб-сайт прогнозирования альтернативного сплайсинга». Посетители напрасно будут искать здесь упоминания об эволюции, и это несмотря на старую аксиому, что ничего в биологии не имеет без неё смысла. Новая версия этого выражения 2010 года может звучать так: «Ничто в биологии не имеет смысла, если не рассматривается в свете информатики» .
Ссылки и примечания
Мы рады, что смогли рассказать вам об этой истории в день её публикации. Возможно, это одна из наиболее значимых научных статей года. (Конечно же, значимым является каждое большое открытие, сделанное другими группами ученых, как открытие Уотсона и Крика.) Единственное, что мы можем сказать на это: «Вот это да!» Это открытие – замечательное подтверждение Сотворения по замыслу и огромный вызов дарвиновской империи. Интересно, как эволюционисты попытаются исправить свою упрощенную историю случайных мутаций и естественного отбора, которая была придумана еще в 19 столетии, в свете этих новых данных.
Вы поняли, о чем говорят Техедор и Валькарсел? Виды могут иметь свой собственный код, свойственный только этим видам. «Поэтому будущим методам предстоит установить точное взаимодействие между гистоновым [эпигенетическим] кодом и кодом сплайсинга», - отмечают они. В переводе это означает: «Дарвинисты здесь не причем. Они просто не способны с этим справиться». Если простой генетический код Уотсона-Крика был проблемой для дарвинистов, то, что они скажут теперь о коде сплайсинга, который из одних и тех же генов создает тысячи транскриптов? А как они справятся с эпигенетическим кодом, который управляет экспрессией генов? И кто знает, может в этом невероятном «взаимодействии», о котором мы только начинаем узнавать, задействованы и другие коды, напоминающие Розеттский камень, только начинающий показываться из песка?
Теперь, когда мы размышляем о кодах и информатике, мы начинаем думать о разных парадигмах нового исследования. Что если геном частично действует как сеть хранения данных? Что если в нем имеет место криптография или происходят алгоритмы сжатия? Нам следует вспомнить о современных информационных системах и технологиях хранения информации. Может быть, мы даже обнаружим элементы стеганографии. Несомненно, существуют дополнительные механизмы устойчивости, такие как дублирования и исправления, которые возможно помогут объяснить существование псевдогенов. Копирования всего генома могут быть реакциями на стресс. Некоторые из этих явлений могут оказаться полезными показателями исторических событий, которые не имеют ничего общего с универсальным общим предком, но помогают исследовать сравнительную геномику в рамках информатики и дизайна устойчивости, а также помогают понять причину заболевания.
Эволюционисты оказываются в сильном затруднении. Исследователи попытались видоизменить код, а получили только рак и мутации. Как они собираются пройти по полю приспособленности, если оно всё заминировано катастрофами, ждущими своего часа, как только кто-то начинает вмешиваться в эти неразрывно связанные коды? Мы знаем, что существует некая встроенная устойчивость и переносимость, но вся картина представляет собой невероятно сложную, разработанную, оптимизированную информационную систему , а не беспорядочное соединение частей, которыми можно бесконечно играться. Вся идея кода является концепцией разумного замысла.
A. E. Уайлдер-Смит придавал этому особое значение. Код предполагает соглашение между двумя частями. Соглашение – это заблаговременное согласие. Оно подразумевает планирование и цель. Символ SOS, как сказал бы Уайлдер-Смит, мы используем по соглашению как сигнал бедствия. SOS не выглядит как бедствие. Оно не пахнет как бедствие. Оно не ощущается как бедствие. Люди не понимали бы, что эти буквы обозначают бедствие, если бы они не понимали суть самого соглашения. Подобным образом, кодон аланина, ГЦЦ, не выглядит, не пахнет и не ощущается как аланин. Кодон не имел бы никакого отношения к аланину, если бы между двумя кодирующими системами (кодом белка и кодом ДНК) не было заранее установленного соглашения о том, что «ГЦЦ должен означать аланин». Для передачи этого соглашения используется семейство преобразователей, аминоацил-тРНК-синтетаз, которые переводят один код в другой.
Это должно было укрепить теорию замысла в 1950-х годах и многие креационисты эффективно её проповедовали. Но эволюционисты похожи на красноречивых торговцев. Они сочинили свои сказки о фее Динь-Динь, которая разбирает код и создает новые виды путем мутации и отбора, и убедили многих людей в том, что чудеса могут происходить и сегодня. Ну, хорошо, сегодня за окном 21-й век и нам известен эпигенетический код и код сплайсинга – два кода, которые намного сложнее и динамичнее, чем простой код ДНК. Мы знаем о кодах внутри кодов, о кодах над кодами и под кодами – нам известна целая иерархия кодов. На этот раз эволюционисты не могут просто вставить палец в пистолет и с блефом убеждать нас своими красивыми речами, когда по обеим сторонам расставлены пушки – целый арсенал, направленный на их главные элементы конструкции. Всё это игра. Вокруг них выросла целая эра информатики, они давно вышли из моды и похожи на Греков, которые пытаются с копьями лезть на современные танки и вертолеты.
Грустно признавать, но эволюционисты не понимают этого, или даже если и понимают, то не собираются сдаваться. Между прочим, на этой неделе, как раз когда была опубликована статья о Коде сплайсинга, со страниц продарвиновских журналов и газет посыпалась наиболее злая и ненавистная за последнее время риторика, направленная против креационизма и разумного замысда. Нам предстоит услышать еще о многих подобных примерах. И пока они держат в своих руках микрофоны и контролируют институты, многие люди будут попадаться на их удочку, думая, что наука продолжает давать им достаточное основание. Мы рассказываем вам всё это для того, чтобы вы читали этот материал, изучали его, понимали и запаслись информацией, которая вам необходима для того, чтобы сразить истиной этот фанатичный, вводящий в заблуждение вздор. А теперь, вперёд!
Генетический код – система записи генетической информации в ДНК (РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов.Определённой последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК соответствует определённая последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков. Код принято записывать с помощью заглавных букв русского или латинского алфавита. Каждый нуклеотид обозначается буквой, с которой начинается название входящего в состав его молекулы азотистого основания: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин; в РНК вместо тиминаурацил – У (U). Последовательность нуклеотидов определяет последовательность включения АК в синтезируемый белок.
Свойства генетического кода:
1. Триплетность
- значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон) .
2. Непрерывность
- между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость
- один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки) .
4. Однозначность
(специфичность) - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotescrassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
5. Вырожденность
(избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
6. Универсальность
- генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже) .
Условия биосинтеза
Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК - переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы - органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.
Этапы
Транскрипция - процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.
Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.
После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.
Трансляция - процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.
Биосинтез белка состоит из ряда реакций.
1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы.
2. Образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.
3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК - аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.
Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15-20 с.
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"
Кафедра "Естествознания и системного анализа"
Реферат по теме "Генетический код"
1. Понятие генетического кода
3. Генетическая информация
Список литературы
1. Понятие генетического кода
Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).
Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Первый из них протекает в ядре; он заключается в синтезе молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в белке: этот этап протекает при участии транспортной РНК (т-РНК) и соответствующих ферментов.
2. Свойства генетического кода
1. Триплетность
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.
Триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.
2. Вырожденность.
Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом: 2 аминокислоты по 1 триплету = 2 9 аминокислот по 2 триплета = 18 1 аминокислота 3 триплета = 3 5 аминокислот по 4 триплета = 20 3 аминокислоты по 6 триплетов = 18 Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.
3. Наличие межгенных знаков препинания.
Ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tРНК, rРНК или sРНК.
Гены tРНК, rРНК, sРНК белки не кодируют.
В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию.
Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).
4. Однозначность.
Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.
Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.
5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания.
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.
В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактость.
Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген. Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.
Эксперимент доказывает, что код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами.
3. Генетическая информация
Генетическая информация - программа свойств организма, получаемая от предков и заложенная в наследственных структурах в виде генетического кода.
Предполагается, что становление генетической информации шло по схеме: геохимические процессы - минералообразование - эволюционный катализ ( автокатализ).
Возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, причем каждый новый слой глины выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении.
Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех РНК: информационной (иРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Процесс передачи информации идет: - по каналу прямой связи: ДНК - РНК - белок; и - по каналу обратной связи: среда - белок - ДНК.
Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам присуще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимально эффективно. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому организму для существования, развития и размножения передается от каждого индивида его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе взаимодействия его с окружающей средой реакция на ее индивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. В процессе эволюции живого организма возникает и запоминается новая информация, в том числе для него возрастает ценность информации.
В ходе реализации наследственной информации в определенных условиях внешней среды формируется фенотип организмов данного биологического вида.
Генетическая информация определяет морфологическое строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.
Многие ученые, справедливо подчеркивая роль информации в становлении и эволюции живого, отмечали это обстоятельство в качестве одного из главных критериев жизни. Так, В.И. Карагодин считает: "Живое есть такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизведение этой информации в подходящих условиях внешней среды". Связь информации с жизнью отмечает и А.А. Ляпунов: "Жизнь - это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул". Известный наш астрофизик Н.С. Кардашев также подчеркивает информационную составляющую жизни: "Жизнь возникает благодаря возможности синтеза особого рода молекул, способных запоминать и использовать вначале самую простую информацию об окружающей среде и собственной структуре, которую они используют для самосохранения, для воспроизводства и, что для нас особенно важно, получения еще большего количества информации". На эту способность живых организмов сохранять и передавать информацию обращает внимание в своей книге "Физика бессмертия" эколог Ф. Типлер: "Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором". Более того, он считает, если это так, то система жизнь - информация является вечной, бесконечной и бессмертной.
Раскрытие генетического кода и установление закономерностей молекулярной биологии показали необходимость соединения современной генетики и дарвиновской теории эволюции. Так родилась новая биологическая парадигма - синтетическая теория эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию.
Основные идеи эволюции Дарвина с его триадой - наследственностью, изменчивостью, естественным отбором - в современном представлении эволюции живого мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора, который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической или общей эволюции можно считать работы С.С. Четверикова по популяционной генетике, в которых было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки и особи, а генотип всей популяции, но осуществляется он через фенотипические признаки отдельных особей. Это приводит к распространению полезных изменений во всей популяции. Таким образом, механизм эволюции реализуется как через случайные мутации на генетическом уровне, так и через наследование наиболее ценных признаков (ценности информации!), определяющих адаптацию мутационных признаков к окружающей среде, обеспечивая наиболее жизнеспособное потомство.
Сезонные изменения климата, различных природные или техногенные катастрофы с одной стороны, приводят к изменению частоты повторяемости генов в популяциях и, как следствие, к снижению наследственной изменчивости. Этот процесс иногда называют дрейфом генов. А с другой - к изменениям концентрации различных мутаций и уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции, что может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора.
4. Расшифровка генетического кода человека
В мае 2006 года учёные, работающие над расшифровкой генома человека, опубликовали полную генетическую карту хромосомы 1, которая была последней из не полностью секвенсированной хромосомой человека.
Предварительная генетическая карта человека была опубликована в 2003 году, что ознаменовало формальное завершение проекта Human Genome. В его рамках были секвенсированы фрагменты генома, содержащие 99% генов человека. Точность идентификации генов составила 99,99%. Однако на момент завершения проекта полностью секвенсированы были лишь четыре из 24 хромосом. Дело в том, что помимо генов хромосомы содержат фрагменты, не кодирующие никаких признаков и не участвующие в синтезе белков. Роль, которые эти фрагменты играют в жизни организма пока остается неизвестной, но все больше исследователей склоняются к мнению, что их изучение требует самого пристального внимания.
