Біосинтез білка та нуклеїнових кислот. гени, генетичний код. Генетичний код: опис, характеристики, історія дослідження Генетичний хід
Кожен живий організм має особливий набір білків. Певні сполуки нуклеотидів та їх послідовність у молекулі ДНК утворюють генетичний код. Він передає інформацію про будову білка. У генетиці було прийнято певну концепцію. Відповідно до неї, одному гену відповідав один фермент (поліпептид). Слід сказати, що дослідження про нуклеїнові кислоти та білки проводилися протягом досить тривалого періоду. Далі у статті докладніше розглянемо генетичний код та його властивості. Буде також наведено коротка хронологіядосліджень.
Термінологія
Генетичний код – це спосіб зашифрування послідовності білків амінокислот за участю нуклеотидної послідовності. Цей спосіб формування відомостей уражає всіх живих організмів. Білки – природні органічні речовиниіз високою молекулярністю. Ці сполуки також є у живих організмах. Вони складаються з 20 видів амінокислот, які називаються канонічними. Амінокислоти вибудовані в ланцюжок і з'єднані в встановленій послідовності. Вона визначає структуру білка та його біологічні властивості. Зустрічається також кілька ланцюжків амінокислот у білку.
ДНК та РНК
Дезоксирибонуклеїнова кислота – це макромолекула. Вона відповідає за передачу, зберігання та реалізацію спадкової інформації. ДНК використовує чотири азотисті основи. До них належать аденін, гуанін, цитозин, тимін. РНК складається з тих же нуклеотидів, крім того, у складі якого перебуває тімін. Замість нього є нуклеотид, що містить урацил (U). Молекули РНК і ДНК є нуклеотидні ланцюжки. Завдяки такій структурі утворюються послідовності – "генетичний алфавіт".
Реалізація інформації
Синтез білка, що кодується геном, реалізовується за допомогою об'єднання мРНК на матриці ДНК (транскрипції). Також відбувається передача генетичного коду послідовність амінокислот. Тобто має місце синтез поліпептидного кола на мРНК. Для зашифрування всіх амінокислот та сигналу закінчення білкової послідовності достатньо трьох нуклеотидів. Цей ланцюг називається триплетом.
Історія дослідження
Вивчення білка та нуклеїнових кислот проводилося довгий час. У середині 20 століття нарешті з'явилися перші ідеї про те, яку природу має генетичний код. 1953 року з'ясували, що деякі білки складаються з послідовностей амінокислот. Щоправда, тоді ще не могли визначити їх точну кількість, і з цього приводу точилися численні суперечки. У 1953 році авторами Вотсоном і Криком було опубліковано дві роботи. Перша заявляла про вторинну структуру ДНК, друга говорила про її допустиме копіювання за допомогою матричного синтезу. Крім того, було зроблено акцент на те, що конкретна послідовність підстав - це код, який несе спадкову інформацію. Американський та радянський фізик Георгій Гамов припустився гіпотези кодування та знайшов метод її перевірки. У 1954 році була опублікована його робота, в ході якої він висунув пропозицію встановити відповідності між бічними амінокислотними ланцюгами та "дірками", що мають ромбоподібну форму, і використовувати це як механізм кодування. Потім його назвали ромбічним. Роз'яснюючи свою роботу, Гамов припустив, що генетичний код може бути триплетним. Праця фізика стала однією з перших серед тих, які вважалися близькими до істини.
Класифікація
Через кілька років пропонувалися різні моделігенетичних кодів, що являють собою два види: перекриваються і неперекриваються. В основі першої було входження одного нуклеотиду до складу кількох кодонів. До неї належить трикутний, послідовний та мажорно-мінорний генетичний код. Друга модель передбачає два види. До тих, що не перекриваються, відносяться комбінаційний і "код без ком". В основі першого варіанта лежить кодування амінокислоти триплетами нуклеотидів і головним є його склад. Згідно з "кодом без ком", певні триплети відповідають амінокислотам, а решта немає. У цьому випадку вважалося, що при розташуванні будь-яких значущих триплетів послідовно інші, що знаходяться в іншій рамці зчитування, вийдуть непотрібними. Вчені вважали, що є можливість підбору нуклеотидної послідовності, яка задовольнятиме цим вимогам, і що триплетів рівно 20.
Хоча Гамов із співавторами ставили під сумнів таку модель, вона вважалася найбільш правильною протягом наступних п'яти років. На початку другої половини 20-го століття з'явилися нові дані, які дозволили виявити деякі недоліки в "коді без ком". Було виявлено, що кодони здатні стимулювати синтез білка в пробірці. Ближче до 1965 року осмислили принцип усіх 64 триплетів. В результаті виявили надмірність деяких кодонів. Іншими словами, послідовність амінокислот кодується кількома триплетами.
Відмінні особливості
До властивостей генетичного коду належать:
Варіації
Вперше відхилення генетичного коду від стандартного було виявлено в 1979 під час вивчення генів мітохондрій в організмі людини. Далі виявили ще подібні варіанти, зокрема безліч альтернативних мітохондріальних кодів. До них відносяться розшифрування стоп-кодону УГА, що використовується як визначення триптофану у мікоплазм. ГУГ та УУГ у архей та бактерій нерідко застосовуються в ролі стартових варіантів. Іноді гени кодують білок зі старт-кодону, який відрізняється від стандартно використовуваного цим видом. Крім того, в деяких білках селеноцистеїн та піролізин, які є нестандартними амінокислотами, вставляються рибосомою. Вона прочитує стоп-кодон. Це від послідовностей, що у мРНК. В даний час селеноцистеїн вважається 21-ою, піролізан - 22-ою амінокислотою, що присутня у складі білків.
Загальні риси генетичного коду
Однак усі винятки є рідкістю. У живих організмів переважно генетичний код має низку загальних ознак. До них відносяться склад кодону, до якого входять три нуклеотиди (два перші належать до визначальних), передача кодонів тРНК та рибосомами в амінокислотну послідовність.
В обміні речовин організму Головна роль
належить білкам та нуклеїновим кислотам.
Білкові речовини становлять основу всіх життєво важливих структур клітини, мають надзвичайно високу реакційну здатність, наділені каталітичними функціями.
Нуклеїнові кислоти входять до складу найважливішого органу клітини - ядра, а також цитоплазми, рибосом, мітохондрій і т. д. Нуклеїнові кислоти відіграють важливу, першорядну роль у спадковості, мінливості організму, у синтезі білка.
Плансинтезу білка зберігається в ядрі клітини, а безпосередньо синтез відбувається поза ядром, тому необхідна служба доставкизакодованого плану з ядра до місця синтезу. Таку службу доставки виконують молекули РНК.
Процес починається в ядрі клітини: розкручується та відкривається частина «сходів» ДНК. Завдяки цьому літери РНК утворюють зв'язки з відкритими літерами ДНК однієї з ниток ДНК. Фермент переносить букви РНК, щоб з'єднати в нитку. Так букви ДНК «переписуються» букви РНК. Новостворений ланцюжок РНК відокремлюється, і «драбина» ДНК знову закручується. Процес зчитування інформації з ДНК та синтезу за її матрицею РНК називається транскрипцією , а синтезована РНК називається інформаційною або і-РНК .
Після подальших змін цей вид закодованої іРНК готовий. і-РНК виходить із ядраі прямує до місця синтезу білка, де букви-РНК розшифровуються. Кожен набір із трьох літер і-РНК утворює «літеру», що означає одну конкретну амінокислоту.
Інший вид РНК шукає цю амінокислоту, захоплює її з допомогою ферменту і доставляє до місця синтезу білка. Ця РНК називається транспортною, або т-РНК. У міру прочитання та перекладу повідомлення і-РНК ланцюжок амінокислот зростає. Цей ланцюжок закручується та укладається в унікальну форму, створюючи один вид білка. Примітний процес укладання білка: на те, щоб за допомогою комп'ютера прорахувати все варіантиукладання білка середнього розміру, що складається зі 100 амінокислот, знадобилося б 1027 (!) років. А для утворення в організмі ланцюжка з 20 амінокислот потрібно не більше однієї секунди, і цей процес відбувається безперервно у всіх клітинах тіла.
Гени, генетичний код та його властивості.
На Землі мешкає близько 7 млрд людей. Якщо не рахувати 25-30 млн пар однояйцевих близнюків, то генетично всі люди різні : кожен унікальний, має неповторні спадкові особливості, властивості характеру, здібності, темперамент.
Такі відмінності пояснюються відмінностями у генотипах-наборах генів організму; у кожного він унікальний. Генетичні ознаки конкретного організму втілюються у білках - отже, і будова білка однієї людини відрізняється, хоч і зовсім небагато, від білка іншої людини.
Це не значитьщо у людей не зустрічається абсолютно однакових білків. Білки, що виконують ті самі функції, можуть бути однаковими або зовсім незначно відрізнятися однією-двома амінокислотами один від одного. Але не існує на Землі людей (за винятком однояйцевих близнюків), у яких усі білки були б однакові .
Інформація про первинну структуру білказакодована у вигляді послідовності нуклеотидів у ділянці молекули ДНК, гені – одиниці спадкової інформації організму. Кожна молекула ДНК містить множину генів. Сукупність усіх генів організму складає його генотип . Таким чином,
Ген – одиниця спадкової інформації організму, якій відповідає окрема ділянка ДНК
Кодування спадкової інформації відбувається за допомогою генетичного коду , який універсальний всім організмів і відрізняється лише чергуванням нуклеотидів, що утворюють гени, і кодують білки конкретних організмів.
Генетичний код складається з трійок (триплетів) нуклеотидів ДНК, що комбінуються в різній послідовності (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ і т.д.), кожен з яких кодує певну амінокислоту (яка буде вбудована в поліпептидний ланцюг).
Власне кодом
вважається послідовність нуклеотидів у молекулі і-РНК
, т.к. вона знімає інформацію з ДНК (процес транскрипції
) і переводить її в послідовність амінокислот у молекулах синтезованих білків (процес трансляції
).
До складу і-РНК входять нуклеотиди А-Ц-Г-У, триплети яких називаються кодонами
: триплет на ДНК ЦГТ на і-РНК стане триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ стане триплетом УУЦ Саме кодонами і-РНК
відображається генетичний код у записі.
Таким чином, генетичний код - єдина системазаписи спадкової інформації у молекулах нуклеїнових кислот у вигляді послідовності нуклеотидів . Генетичний код заснований на використанні алфавіту, що складається всього з чотирьох букв-нуклеотидів, що відрізняються азотистими основами: А, Т, Г, Ц.
Основні властивості генетичного коду:
1. Генетичний код триплетен. Триплет (кодон) – послідовність трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту. Оскільки до складу білків входить 20 амінокислот, то очевидно, що кожна з них не може кодуватися одним нуклеотидом ( оскільки в ДНК всього чотири типи нуклеотидів, то в цьому випадку 16 амінокислот залишаються незакодованими). Двох нуклеотидів для кодування амінокислот також не вистачає, оскільки в цьому випадку може бути закодовано лише 16 амінокислот. Значить, найменше числонуклеотидів, що кодують одну амінокислоту, має бути не менше трьох. У цьому випадку кількість можливих триплетів нуклеотидів становить 43 = 64.
2. Надмірність (виродженість)коду є наслідком його триплетності і означає те, що одна амінокислота може кодуватися кількома триплетами (оскільки амінокислот 20, а триплетів - 64), за винятком метіоніну та триптофану, які кодуються лише одним триплетом. Крім того, деякі триплети виконують специфічні функції: в молекулі і-РНК триплети УАА, УАГ, УГА є термінуючими кодонами, тобто. стоп-сигналами, що припиняють синтез поліпептидного ланцюга Триплет, що відповідає метіоніну (АУГ), що стоїть на початку ланцюга ДНК, не кодує амінокислоту, а виконує функцію ініціювання (збудження) зчитування.
3. Однозначність коду - одночасно з надмірністю коду властива властивість однозначності : кожному кодону відповідає тільки однапевна амінокислота.
4. Колінеарність коду, тобто. послідовність нуклеотидів у гені точновідповідає послідовності амінокислот у білку.
5. Генетичний код неперекриваємо і компактний , Т. е. не містить «розділових знаків». Це означає, що процес зчитування не допускає можливості перекривання колонів (триплетів), і, розпочавшись на певному кодоні, зчитування триває безперервно триплет за триплетом аж до стоп-сигналів ( термінуючих кодонів).
6. Генетичний код універсальний , тобто ядерні гени всіх організмів однаково кодують інформацію про білки незалежно від рівня організації та систематичного становища цих організмів.
Існують таблиці генетичного коду для розшифрування кодонів і-РНК та побудови ланцюжків білкових молекул.
Реакція матричного синтезу.
У живих системах зустрічається реакції, невідомі в неживої природи - реакції матричного синтезу
Терміном "матриця"у техніці позначають форму, що використовується для виливки монет, медалей, друкарського шрифту: затверділий метал точно відтворює всі деталі форми, що служила для виливки. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються у точній відповідності до плану, закладеного в структурі вже існуючих молекул.
Матричний принцип лежить в основінайважливіших синтетичних реакцій клітини, таких, як синтез нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна, суворо специфічна послідовність мономерних ланок синтезованих полімерах.
Тут відбувається спрямоване стягування мономерів в певне місце клітини – на молекули, що служать матрицею, де реакція протікає. Якби такі реакції відбувалися внаслідок випадкового зіткнення молекул, вони протікали б нескінченно повільно. Синтез складних молекул на основі матричного принципу здійснюється швидко та точно. Роль матриці у матричних реакціях грають макромолекули нуклеїнових кислот ДНК або РНК .
Мономірні молекули, З яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарності розташовуються і фіксуються на матриці в строго визначеному, заданому порядку.
Потім відбувається "зшивання" мономерних ланок у полімерний ланцюгі готовий полімер скидається з матриці.
Після цього матриця готовадо збирання нової полімерної молекули. Зрозуміло, що як на цій формі може проводитися виливок тільки якоїсь однієї монети, однієї літери, так і на цій матричній молекулі може йти "складання" лише одного полімеру.
Матричний тип реакцій- Специфічна особливість хімізму живих систем. Вони є основою фундаментальної властивості всього живого – його здатності до відтворення собі подібного.
Реакції матричного синтезу
1. Реплікація ДНК - реплікація (від латів. replicatio - відновлення) - процес синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти на матриці батьківської молекули ДНК. У ході подальшого поділу материнської клітини кожна дочірня клітина отримує по одній копії молекули ДНК, яка є ідентичною ДНК вихідної материнської клітини. Цей процес забезпечує точну передачу генетичної інформації з покоління до покоління. Реплікацію ДНК здійснює складний ферментний комплекс, що складається з 15-20 різних білків, званий реплісомою . Матеріалом для синтезу є вільні нуклеотиди, що є в цитоплазмі клітин. Біологічний сенс реплікації полягає у точній передачі спадкової інформації від материнської молекули до дочірніх, що у нормі і відбувається при розподілі соматичних клітин.
Молекула ДНК і двох комплементарних ланцюгів. Ці ланцюги утримуються слабкими водневими зв'язками, здатними розриватися під впливом ферментів. Молекула ДНК здатна до самоподвоєння (реплікації), причому на кожній старій половині молекули синтезується її нова половина.
Крім того, на молекулі ДНК може синтезуватися молекула іРНК, яка потім переносить отриману від ДНК інформацію до місця синтезу білка.
Передача інформації та синтез білка йдуть за матричним принципом, який можна порівняти з роботою друкарського верстата в друкарні. Інформація від ДНК багаторазово копіюється. Якщо при копіюванні будуть помилки, то вони повторяться у всіх наступних копіях.
Щоправда, деякі помилки при копіюванні інформації молекулою ДНК можуть виправлятися - процес усунення помилок називається репарацією. Першою з реакцій у процесі передачі є реплікація молекули ДНК і синтез нових ланцюгів ДНК.
2. Транскрипція (від лат. transcriptio - переписування) - процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриця, що відбувається у всіх живих клітинах. Іншими словами, це перенесення генетичної інформації із ДНК на РНК.
Транскрипція каталізується ферментом ДНК-залежною РНК-полімеразою. РНК-полімераза рухається молекулою ДНК у напрямку 3" → 5". Транскрипція складається із стадій ініціації, елонгації та термінації . Одиницею транскрипції є оперон, фрагмент молекули ДНК, що складається з промотору, транскрибованої частини та термінатора . і-РНК складається з одного ланцюга і синтезується на ДНК відповідно до правила комплементарності за участю ферменту, який активує початок та кінець синтезу молекули і-РНК.
Готова молекула і-РНК виходить у цитоплазму на рибосоми, де відбувається синтез поліпептидних ланцюгів.
3. Трансляція (від латів. translatio- перенесення, переміщення) - процес синтезу білка з амінокислот на матриці інформаційної (матричної) РНК (іРНК, мРНК), який здійснюється рибосомою. Іншими словами, це процес перекладу інформації, що міститься в послідовності нуклеотидів і-РНК, в послідовність амінокислот в поліпептиді.
4. Зворотня транскрипція - це процес утворення дволанцюжкової ДНК на основі інформації з одноланцюгової РНК. Цей процес називається зворотної транскрипцією, оскільки передача генетичної інформації у своїй відбувається у «зворотному», щодо транскрипції, напрямі. Ідея зворотної транскрипції спочатку була дуже непопулярна, оскільки суперечила центральній догмі. молекулярної біологіїяка передбачала, що ДНК транскрибується в РНК і далі транслюється в білки.
Однак у 1970 року Темін і Балтімор незалежно друг від друга відкрили фермент, названий зворотною транскриптазою (ревертазою)
, і можливість зворотної транскрипції остаточно підтверджено. В 1975 Теміна і Балтімору була присуджена Нобелівська преміяу галузі фізіології та медицини. Деякі віруси (такі як вірус імунодефіциту людини, що викликає ВІЛ-інфекцію), мають можливість транскрибувати РНК ДНК. ВІЛ має РНК-геном, який вбудовується у ДНК. В результаті ДНК вірусу може бути поєднана з геномом клітини-господаря. Головний фермент, відповідальний за синтез ДНК із РНК, називається ревертазою. Однією з функцій ревертази є створення комплементарної ДНК
(КДНК) з вірусного геному. Асоційований фермент рибонуклеазу розщеплює РНК, а ревертаза синтезує кДНК із подвійної спіралі ДНК. кДНК інтегрується до геному клітини-господаря за допомогою інтегрази. Результатом є синтез вірусних протеїнів клітиною-хазяїномякі утворюють нові віруси. У випадку з ВІЛ також програмується апоптоз (смерть клітини) Т-лімфоцитів. В інших випадках клітина може залишитись розповсюджувачем вірусів.
Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна як схеми.
Таким чином, біосинтез білка– це один із видів пластичного обміну, у ході якого спадкова інформація, закодована в генах ДНК, реалізується у певну послідовність амінокислот у білкових молекулах.
Молекули білків по суті є поліпептидні ланцюжки, Складені з окремих амінокислот. Але амінокислоти є недостатньо активними, щоб з'єднатися між собою самостійно. Тому, перш ніж з'єднатися один з одним та утворити молекулу білка, амінокислоти повинні активуватись . Ця активація відбувається під впливом спеціальних ферментів.
В результаті активування амінокислота стає більш лабільною і під дією того ж ферменту зв'язується з т- РНК. Кожній амінокислоті відповідає строго специфічна т- РНК, яка знаходить «свою» амінокислоту та переноситьїї в рибосому.
Отже, в рибосому надходять різні активовані амінокислоти, поєднані зі своїмит- РНК. Рибосома є як би конвеєрдля складання ланцюжка білка з різних амінокислот, що надходять до нього.
Одночасно з т-РНК, на якій сидить своя амінокислота, в рибосому надходить. сигнал» від ДНК, що міститься у ядрі. Відповідно до цього сигналу в рибосомі синтезується той чи інший білок.
Напрямний вплив ДНК на синтез білка здійснюється безпосередньо, а з допомогою особливого посередника – матричноїабо інформаційної РНК (м-РНКабо і-РНК), яка синтезується в ядре під впливом ДНК, тому її склад відбиває склад ДНК. Молекула РНК є як би зліпок з форми ДНК. Синтезована і-РНК надходить у рибосому і передає цій структурі план- в якому порядку повинні з'єднуватися один з одним активовані амінокислоти, що надійшли в рибосому, щоб синтезувався певний білок. Інакше, генетична інформація, закодована в ДНК, передається на і-РНК і далі білок.
Молекула і-РНК надходить у рибосому та прошиваєїї. Той її відрізок, який знаходиться зараз у рибосомі, визначений кодоном (триплет), взаємодіє абсолютно специфічно з відповідним щодо нього за будовою триплетом (антикодоном)в транспортній РНК, яка принесла рибосому амінокислоту.
Транспортна РНК зі своєю амінокислотою підходить до певного кодону і-РНК та з'єднуєтьсяз ним; до наступної, сусідньої ділянки і-РНК приєднується інша т-РНК з іншою амінокислотоюі так до тих пір, поки не буде рахований весь ланцюжок і-РНК, поки не нанижуться всі амінокислоти у відповідному порядку, утворюючи молекулу білка. А т-РНК, яка доставила амінокислоту до певної ділянки поліпептидного ланцюга, звільняється від своєї амінокислотиі виходить із рибосоми.
Потім знову в цитоплазмі до неї може приєднатися потрібна амінокислота і вона знову перенесе її в рибосому. У процесі синтезу білка бере участь одночасно одна, а кілька рибосом - полирибосомы.
Основні етапи передачі генетичної інформації:
1. Синтез на ДНК як на матриці і-РНК (транскрипція)
2. Синтез у рибосомах поліпептидного ланцюга за програмою, що міститься в і-РНК (трансляція)
.
Етапи універсальні всім живих істот, але тимчасові і просторові взаємини цих процесів різняться у про- і еукаріотів.
У прокаріоттранскрипція та трансляція можуть здійснюватися одночасно, оскільки ДНК знаходиться у цитоплазмі. У еукаріоттранскрипція та трансляція строго розділені у просторі та часі: синтез різних РНК відбувається в ядрі, після чого молекули РНК мають залишити межі ядра, пройшовши через ядерну мембрану. Потім цитоплазмі РНК транспортуються до місця синтезу білка.
Генетичний код - це спосіб кодування послідовності амінокислот у молекулі білка за допомогою послідовності нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. Властивості генетичного коду випливають із особливостей цього кодування.
Кожній амінокислоті білка зіставляється у відповідність три підряд нуклеотиду нуклеїнової кислоти, що йдуть. триплет, або кодон. Кожен із нуклеотидів може містити одну з чотирьох азотистих основ. У РНК це аденін(A), урацил(U), гуанін(G), цитозин(C). По-різному комбінуючи азотисті основи (в даному випадку містять нуклеотиди) можна отримати безліч різних триплетів: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC і т. д. Загальна кількість можливих комбінацій - 64, тобто 4 3 .
До складу білків живих організмів входить близько 20 амінокислот. Якби природа «задумала» кодувати кожну амінокислоту не трьома, а двома нуклеотидами, то розмаїття таких пар не вистачило б, оскільки їх виявилося лише 16, тобто. 4 2 .
Таким чином, основна властивість генетичного коду - його триплетність. Кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів.
Оскільки можливих різних триплетів істотно більше, ніж амінокислот, що використовуються в біологічних молекулах, то в живій природі було реалізовано таку властивість як надмірністьгенетичного коду. Багато амінокислот стали кодуватися не одним кодоном, а кількома. Наприклад, амінокислота гліцин кодується чотирма різними кодонами: GGU, GGC, GGA, GGG. Надмірність також називають виродженістю.
Відповідність між амінокислотами та кодонами відображають у вигляді таблиць. Наприклад, таких:
По відношенню до нуклеотидів генетичний код має таку властивість як однозначність(або специфічність): кожен кодон відповідає лише одній амінокислоті. Наприклад, кодоном GGU можна закодувати тільки гліцин і більше жодної іншої амінокислоти.
Ще раз. Надмірність - це про те, що кілька триплетів можуть кодувати ту саму амінокислоту. Специфіка - кожен конкретний кодон може кодувати лише одну амінокислоту.
У генетичному коді немає спеціальних розділових знаків (якщо не вважати стоп-кодонів, що позначають закінчення синтезу поліпептиду). Функцію розділових знаків виконують самі триплети - закінчення одного означає, що слідом почнеться інший. Звідси випливають такі дві властивості генетичного коду: безперервністьі неперекриваність. Під безперервність розуміють зчитування триплетів одразу один за одним. Під неперекривальністю - те, що кожен нуклеотид може входити до складу лише триплету. Так перший нуклеотид наступного триплету завжди стоїть після третього нуклеотиду попереднього триплету. Кодон не може розпочатися з другого чи третього нуклеотиду попереднього кодону. Іншими словами, код не перекривається.
Генетичний код має властивість універсальності. Він єдиний всім організмів Землі, що говорить про єдність походження життя. У цьому трапляються дуже рідкісні винятки. Наприклад, деякі триплети мітохондрій та хлоропластів кодують інші, а не звичайні для них амінокислоти. Це може говорити про те, що на зорі розвитку життя існували трохи різні варіації генетичного коду.
Нарешті, генетичний код має завадостійкістюяка є наслідком такої його властивості як надмірність. Точкові мутації, що іноді відбуваються в ДНК, зазвичай призводять до заміни однієї азотистої основи на іншу. При цьому змінюється триплет. Наприклад, було AAA, після мутації стало AAG. Однак подібні зміни не завжди призводять до зміни амінокислоти в поліпептиді, що синтезується, так як обидва триплети через властивості надмірності генетичного коду можуть відповідати одній амінокислоті. Враховуючи, що мутації найчастіше шкідливі, властивість завадостійкості корисна.
>> Принцип кодування амінокислотних послідовностей
5.5.3. Принцип кодування амінокислотних послідовностей
Для розвитку організму та стабільності його клітин у першу чергу необхідний безперервний синтез білків, тобто певної послідовності амінокислот. Який спосіб знайшла природа для кодування, тобто для інформаційно значущого запису порядку амінокислот у білках? Шляхом тонких біохімічних експериментів на молекулярному рівніза останні есятилетия вдалося з'ясувати, що послідовність синтезу білків зафіксована в ланцюгах ДНК (у
деяких випадках та РНК) у вигляді кодонів. Кодоном є трійка послідовно розташованих азотистих основ.
Кожен окремий білок кодується своїм геном – цілком певною послідовністю кодонів. Скільки амінокислот у цьому білку - стільки і кодонів. Між собою гени розділені інтронами - ділянками ланцюга ДНК, у якій нуклеотиди розташовуються здавалося б безладно, отже кодонів не виділяється.
за сучасним уявленнямінтрони виконують службову роль міток і беруть участь у процесах «вибору» тих конкретних ділянок-генів, які мають у той чи інший момент транскрибуватися. Справа в тому, що, хоча майже всі клітини організму містять у своїх хромосомах одну й ту саму генетичну інформацію, у різних клітинах синтезується лише обмежений, визначений спеціалізацією клітини, набір білків.
Як не дивно, але до подібного принципу розташування інформаційних файлів або музичних програм прийшли в технології компакт-дисків. Вибором певної команди на управління Ви можете активувати (зчитувати, прослуховувати) фрагмент запису, що цікавить Вас в даний момент.
Таким чином, генетична інформація, що міститься в ДНК та РНК, укладена в послідовності розташування нуклеотидів у цих молекулах. Яким чином ДНК кодує (шифрує) первинну структуру білків? Суть коду полягає в тому, що послідовність розташування нуклеотидів у ДНК визначає послідовність розташування амінокислот у білках. Цей код називається генетичним, його розшифрування - одне з найбільших досягнень сучасного природознавства.
До складу ДНК входять по 4 нуклеотиди. Якщо в алфавіті життя всього 4 літери, то як із них будуються слова? Це питання однією з перших поставив Г.А. Гамов. Дволітерний код дозволив би зашифрувати лише 16 амінокислот, так як з 4-х нуклеотидів можна скласти тільки 16 різних комбінацій, в кожну з яких входить по 2 нуклеотиди. Цього мало для 20 амінокислот, що використовуються у природі для синтезу білків. Гамов зробив припущення, що у кожному слові має бути три літери. За допомогою триплетного коду можна створити з 4-х нуклеотидів 64 різні комбінації: 4 ступенем 3 дорівнює 64. Це вже помітно більше числа амінокислот.
Як бути? Вважати, що слова не обов'язково складаються із трьох літер? Чи серед 64 слів є синоніми? Гамов зупинився на другий можливості: деякі слова (кодони) можуть позначати ту саму амінокислоту. Експериментальні дослідженняпідтвердили гіпотезу Гамова – майже кожна амінокислота шифрується більш ніж одним кодоном. Наприклад, аргінін, серин та лейцин можуть кодуватися шістьма варіантами кодонів. Проте генетичний код однозначний. Кожен триплет – кодон – шифрує лише одну з амінокислот. У генетичному коді існують три спеціальні триплети УГА, УАГ та УАА, кожен з яких означає припинення синтезу ланцюга білка. Усередині гена не повинно бути розділових знаків. Це дуже важливо. Наприклад, ми можемо легко прочитати і зрозуміти фразу, складену триплетами звичайних букв алфавіту: «жил був кіт тих був сер милий мені той кіт». Якщо прибрати фіксований початок, одну літеру (або один нуклеотид в гені), то нові трійки літер (ми повинні читати по потрійних поєднаннях - кодонах) стануть такими: «ілбілк відтихо ілс ерм ілм немає отк». У всіх здорових людейу гені, що несе інформацію про один з ланцюгів гемоглобіну, триплет ГАА або ГАГ, що стоїть на шостому місці, кодує глутамінову кислоту. Якщо другий нуклеотид у цих триплетах буде замінений на У, то в цьому випадку замість глутамінової кислоти буде вбудовуватись валін. Наслідки будуть важкими – усі еритроцити у такої людини матимуть «зіпсований» гемоглобін, що спричинить хворобу – серповидноклітинну анемію.
Одна їх форм шизофренії - кататонія - пов'язана із заміною всього однієї амінокислоти на іншу в білку WKL1. Його код міститься в одному з генів хромосоми 22 особи. Єдина «друкарська помилка» в генетичному коді призводить до розвитку важкого психічного захворювання.
Концепція сучасного природознавства. Стародубцев В.А., 2-ге вид., Дод. - Томськ: Том. політех. ун-т, 2002. – 184 с.
Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Вдосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний планна рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані урокилекція 5. Генетичний код
Визначення поняття
Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках за допомогою послідовності розташування нуклеотидів у ДНК.
Оскільки ДНК безпосередньої участі у синтезі білка не приймає, код записується мовою РНК. У РНК замість тиміну входить урацил.
Властивості генетичного коду
1. Триплетність
Кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів.
Визначення: триплет або кодон - послідовність трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.
Код може бути моноплетним, оскільки 4 (кількість різних нуклеотидів в ДНК) менше 20. Код може бути дуплетним, т.к. 16 (кількість поєднань і перестановок з 4-х нуклеотидів по 2) менше 20. Код може бути триплетним, т.к. 64 (число поєднань та перестановок з 4-х по 3) більше 20.
2. Виродженість.
Усі амінокислоти, за винятком метіоніну та триптофану, кодуються більш ніж одним триплетом:
2 АК по 1 триплету = 2.
9 АК по 2 триплети = 18.
1 АК 3 триплети = 3.
5 АК по 4 триплети = 20.
3 АК по 6 триплетів = 18.
Усього 61 триплет кодує 20 амінокислот.
3. Наявність міжгенних розділових знаків.
Визначення:
Ген - це ділянка ДНК, що кодує один поліпептидний ланцюг або одну молекулу tPHK, rРНК абоsPHK.
ГениtPHK, rPHK, sPHKбілки не кодують.
В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х триплетів, що кодують термінуючі кодони РНК, або стоп-сигнали. У мРНК вони мають такий вигляд: UAA, UAG, UGA . Вони термінують (закінчують) трансляцію.
Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - Перший після лідерної послідовності. (Див. лекцію 8) Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріотів).
4. Однозначність.
Кожен триплет кодує лише одну амінокислоту чи є термінатором трансляції.
Виняток становить кодон AUG . У прокаріотів у першій позиції (заголовна літера) він кодує формилметіонін, а в будь-якій іншій - метіонін.
5. Компактність, або відсутність внутрішньогенних розділових знаків.
Усередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону.
У 1961 р. Сеймур Бензер і Френсіс Крик експериментально довели триплетність коду та його компактність.
Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду. Поодинока "+" або "-" мутація на початку гена псує весь ген. Подвійна "+" або "-" мутація теж псує весь ген.
Потрійна "+" або "-" мутація на початку гена псує лише його частину. Четверна "+" або "-" мутація знову псує весь ген.
Експеримент доводить, що код тршплетен і всередині гена немає розділових знаків.Експеримент був проведений на двох поруч розташованих фагових генах і показав, крім того, наявність розділових знаків між генами.
6. Універсальність.
Генетичний код єдиний всім живих Землі істот.
У 1979 р. Беррел відкрив ідеальнийкод мітохондрій людини.
Визначення:
«Ідеальним» називається генетичний код, в якому виконується правило виродженості квазідублетного коду: Якщо у двох триплетах збігаються перші два нуклеотиди, а треті нуклеотиди відносяться до одного класу (обидва - пурини або обидва - піримідини), то ці триплети кодують одну і ту ж амінокислоту .
З цього правила в універсальному коді є два винятки. Обидва відхилення від ідеального коду в універсальному стосуються важливих моментів: початку та кінця синтезу білка:
Кодон | Універсальний код | Мітохондріальні коди |
|||
Хребетні | Безхребетні | Дріжджі | Рослини |
||
STOP | STOP |
||||
З UA | |||||
А G А | STOP | ||||
STOP | 230 замін не змінюють клас амінокислоти, що кодується. до ривання. У 1956 р. Георгій Гамов запропонував варіант коду, що перекривається. Згідно з Гамівським кодом, кожен нуклеотид, починаючи з третього в гені, входить до складу 3-х кодонів. Коли генетичний код було розшифровано, виявилося, що він неперекривається, тобто. кожен нуклеотид входить до складу лише одного кодону. Переваги генетичного коду, що перекривається: компактність, менша залежність структури білка від вставки або делеції нуклеотиду. Недолік: велика залежність структури білка від заміни нуклеотиду та обмеження на сусідів. У 1976 р. була секвенована ДНК фага Х174. У нього одноланцюжкова кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них було визначено гени, що розташовуються один за одним. З'ясувалося, що є перекриття. Ген Е повністю знаходиться всередині гена D . Його ініціюючий кодон з'являється в результаті зсуву на один нуклеотид. Ген J починається там, де закінчується ген D . Ініціювальний кодон гена J перекривається з термінуючим кодоном гена D в результаті зсуву на два нуклеотиди. Конструкція називається "зсув рамки зчитування" на число нуклеотидів, неразове трьом. На сьогоднішній день перекриття показано лише для кількох фагів. Інформаційна ємність ДНК На Землі мешкає 6 мільярдів людей. Спадкова інформація про них 4x10 13 книжкових сторінок. Ці сторінки зайняли б обсяг 6 будівель НГУ. 6x10 9 сперматозоїдів займають половину наперстка. Їхня ДНК займає менше чверті наперстка. | ||||