☰

Что такое генетический код в биологии. Генетический код: свойства и функции. Отсутствие запятых - эксперименты

Нуклеотиды ДНК и РНК
  1. Пуриновые: аденин, гуанин
  2. Пиримидиновые: цитозин, тимин (урацил)

Кодон - триплет нуклеотидов, кодирующих определенную аминокислоту.
таб. 1. Аминокислоты, которые обычно встречаются в белках
Название Сокращенное обозначение
1. Аланин Ala
2. Аргинин Arg
3. Аспарагин Asn
4. Аспарагиновая кислота Asp
5. Цистеин Cys
6. Глутаминовая кислота Glu
7. Глутамин Gln
8. Глицин Gly
9. Гистидин His
10. Изолейцин Ile
11. Лейцин Leu
12. Лизин Lys
13. Метионин Met
14. Фенилаланин Phe
15. Пролин Pro
16. Серии Ser
17. Треонин Thr
18. Триптофан Trp
19. Тирозин Tyr
20. Валин Val

Генетический код, который еще называют аминокислотным кодом, - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белке с помощью последовательности расположения нуклеотидных остатков в ДНК, которые содержат одно из 4-х азотистых оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т). Однако, поскольку двунитчатая спираль ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка, который кодируется одной из этих нитей (т.е. РНК), то код записывается на языке РНК, в котором вместо тимина входит урацил (U). По этой же причине принято говорить, что код - это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.

Генетический код представлен определенными кодовыми словами, - кодонами.

Первое кодовое слово было расшифровано Ниренбергом и Маттеи в 1961 г. Они получили из кишечной палочки экстракт, содержащий рибосомы и прочие факторы, необходимые для синтеза белка. Получилась бесклеточная система для синтеза белка, которая могла бы осуществлять сборку белка из аминокислот, если в среду добавить необходимую мРНК. Добавив в среду синтетическую РНК, состоящую только из урацилов, они обнаружили, что образовался белок, состоящий только из фенилаланина (полифенилаланин). Так было установлено, что триплет нуклеотидов УУУ (кодон) соответствует фенилаланину. В течение последующих 5-6 лет были определены все кодоны генетического кода.

Генетический код - своеобразный словарь, переводящий текст, записанный с помощью четырех нуклеотидов, в белковый текст, записанный с помощью 20 аминокислот. Остальные аминокислоты, встречающиеся в белке, являются модификациями одной из 20 аминокислот.

Свойства генетического кода

Генетический код имеет следующие свойства.

  1. Триплетность - каждой аминокислоте соответствует тройка нуклеотидов. Легко подсчитать, что существуют 4 3 = 64 кодона. Из них 61 является смысловым и 3 - бессмысленными (терминирующими, stop-кодонами).
  2. Непрерывность (нет разделительных знаков между нуклеотидами) - 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 непрерывность (компактость) [показать]

    Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида.

    Одиночная мутация ("+" или "-") в начале гена или двойная мутация ("+" или "-") - портит весь ген.

    Тройная мутация ("+" или "-") в начале гена портит лишь часть гена.

    Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.

    Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, что

    1. код триплетен и внутри гена нет знаков препинания
    2. между генами есть знаки препинания
  3. Наличие межгенных знаков препинания - наличие среди триплетов инициирующих кодонов (с них начинается биосинтез белка), кодонов - терминаторов (обозначают конец биосинтеза белка);

    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).

    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.

  4. Колинеарность - соответствие линейной последовательности кодонов мРНК и аминокислот в белке.
  5. Специфичность - каждой аминокислоте соответствуют только определенные кодоны, которые не могут использоваться для другой аминокислоты.
  6. Однонаправленность - кодоны считываются в одном направлении - от первого нуклеотида к последующим
  7. Вырожденность, или избыточность ,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов (аминокислот – 20, возможных триплетов – 64, 61 из них смысловой, т. е. в среднем каждой аминокислоте соответствует около 3 кодонов); исключение составляет метионин (Met) и триптофан (Trp).

    Причина вырожденности кода состоит в том, что главную смысловую нагрузку несут два первых нуклеотида в триплете, а третий не так важен. Отсюда правило вырожденности кода : если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида, а их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и ту же аминокислоту.

    Однако из этого идеального правила есть два исключения. Это кодон АUА, который должен соответствовать не изолейцину, а метионину и кодон UGА, который является терминирующим, тогда как должен соответствовать триптофану. Вырожденность кода имеет, очевидно, приспособительное значение.

  8. Универсальность - все перечисленные выше свойства генетического кода характерны для всех живых 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

    В последнее время принцип универсальности кода был поколеблен в связи c открытием Береллом в 1979 г. идеального кода митохондрий человека, в котором выполняется правило вырожденности кода. В коде митохондрий кодон UGA соответствует триптофану, а AUA - метионину, как того требует правило вырожденности кода.

    Возможно, в начале эволюции у всех простейших организмов был такой же код, как и у митохондрий, а затем он претерпел небольшие отклонения.

  9. Неперекрываемость - каждый из триплетов генетического текста независим друг от друга, один нуклеотид входит в состав только одного триплета; На рис. показана разница между перекрывающимся и неперекрывающимся кодом.

    В 1976г. была секвенирована ДНК фага φХ174. У него одноцепочечная кольцевая ДНК, состоящая из 5375 нуклеотидов. Было известно, что фаг кодирует 9 белков. Для 6 из них были определены гены, располагающиеся друг за другом.

    Выяснилось, что есть перекрывание. Ген Е полностью находится внутри гена D. Его инициирующий кодон появляется в результате сдвига считывания на один нуклеотид. Ген J начинается там, где кончается ген D. Инициирующий кодон гена J перекрывается с терминирующим кодоном гена D в результате сдвига на два нуклеотида. Конструкция называется "сдвиг рамки считывания" на число нуклеотидов, некратное трем. На сегодняшний день перекрывание показано только для нескольких фагов.

  10. Помехоустойчивость - отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен.

    Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

    Так как одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами, то некоторые замены в триплетах не приводят к замене кодируемой аминокислоты (например UUU -> UUC оставляет фенилаланин). Некоторые замены меняют аминокислоту на другую из того же класса (неполярный, полярный, основной, кислотный), остальные замены меняют и класс аминокислоты.

    В каждом триплете можно провести 9 однократных замен, т.е. выбрать, какую из позиций меняем - можно тремя способами (1-я или 2-я или 3-я), причем выбранную букву (нуклеотид) можно поменять на 4-1=3 других буквы (нуклеотида). Общее количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549.

    Прямым подсчетом по таблице генетического кода можно убедиться, что из них: 23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов трансляции. 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 трансляции, 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.


Сегодня ни для кого не секрет, что программа жизнедеятельности всех живых организмов записана на молекуле ДНК. Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Вся важная рабочая информация в молекуле записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — азотистые основания — называются аденин, гуанин, тимин и цитозин, но обычно их обозначают просто буквами А, Г, Т и Ц. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями Г и Ц (образованную таким образом пару называют «парой оснований» ). Других типов связи в молекуле ДНК быть не может.

Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Именно это сообщение в виде последовательности оснований и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма, обладающего данной ДНК. Согласно центральной догме молекулярной биологии , на молекуле ДНК закодирована информация о белках , которые, в свою очередь, выступая в роли ферментов (см. Катализаторы и ферменты), регулируют все химические реакции в живых организмах.

Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК. Было известно, что недавно открытая молекула информационной , или матричной РНК (иРНК, или мРНК), несет информацию, записанную на ДНК. Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall W. Nirenberg) и Дж. Генрих Маттеи (J. Heinrich Matthaei) из Национального института здравоохранения в городке Бетезда под Вашингтоном, округ Колумбия, поставили первые эксперименты, которые привели к разгадке генетического кода.

Они начали с того, что синтезировали искусственные молекулы иРНК, состоявшие только из повторяющегося азотистого основания урацила (который является аналогом тимина, «Т», и образует связи только с аденином, «А», из молекулы ДНК). Они добавляли эти иРНК в тестовые пробирки со смесью аминокислот, причем в каждой пробирке лишь одна из аминокислот была помечена радиоактивной меткой. Исследователи обнаружили, что искусственно синтезированная ими иРНК инициировала образование белка лишь в одной пробирке, где находилась меченая аминокислота фенилаланин. Так они установили, что последовательность «—У—У—У—» на молекуле иРНК (и, следовательно, эквивалентную ей последовательность «—А—А—А—» на молекуле ДНК) кодирует белок, состоящий только из аминокислоты фенилаланина. Это было первым шагом к расшифровке генетического кода.

Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон ) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.

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.

Раздел ЕГЭ: 2.6. Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

На Земле живет уже более 6 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцевых близнецов, то генетически все люди разные. Это означает, что каждый из них уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом и многими другими качествами. Чем же определяются такие различия между людьми? Конечно различиями в их генотипах , т.е. наборах генов данного организма. У каждого человека он уникален, так же как уникален генотип отдельного животного или растения. Но генетические признаки данного человека воплощаются в белках, синтезированных в его организме. Следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека. Вот почему возникает проблема пересадки органов, вот почему возникают аллергические реакции на продукты, укусы насекомых, пыльцу растений и т.д. Сказанное не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцевых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.

Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК — гене. Ген — это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип .

Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода . Код подобен всем известной азбуке Морзе, которая точками и тире кодирует информацию. Азбука Морзе универсальна для всех радистов, и различия состоят только в переводе сигналов на разные языки. Генетический код также универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены и кодирующих белки конкретных организмов.

Свойства генетического кода : триплетность, специфичность, универсальность, избыточность и неперекрываемость.

Итак, что же собой представляет генетический код? Изначально он состоит из троек (триплетов ) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности. Например, ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д. Каждый триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную цепь. Так, например, триплет ЦГТ кодирует аминокислоту аланин, а триплет ААГ — аминокислоту фенилаланин. Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три — 64. Следовательно, четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Вот почему одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

Собственно генетическим кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК , ибо она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции ) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции ). В состав иРНК входят нуклеотиды АЦГУ. Триплеты нуклеотидов иРНК называются кодонами. Уже приведенные примеры триплетов ДНК на иРНК будут выглядеть следующим образом — триплет ЦГТ на иРНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК — ААГ — станет триплетом УУЦ. Именно кодонами иРНК отражается генетический код в записи. Итак, генетический код триплетен, универсален для всех организмов на земле, вырожден (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном). Между генами имеются знаки препинания — это триплеты, которые называются стоп-кодонами . Они сигнализируют об окончании синтеза одной полипептидной цепи. Существуют таблицы генетического кода, которыми нужно уметь пользоваться, для расшифровки кодонов иРНК и построения цепочек белковых молекул (в скобках — комплементарные ДНК).

Веществами, ответственными за хранение и передачу генетической информации, являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Все функции клеток и организма в целом определяются набором белков , обеспечивающих

  • образование клеточных структур,
  • синтез всех других веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот),
  • протекание процессов жизнедеятельности.

В геноме содержится информация о последовательности аминокислот во всех белках организма. Именно эта информация и называется генетической информацией .

За счёт регуляции генов регулируется время синтеза белков, их количество, место нахождения в клетке или в организме в целом. Во многом за это отвечают регуляторные участки ДНК, усиливающие и ослабляющие экспрессию генов в ответ на те или иные сигналы.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом - в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц), а белки - из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Соотношения, на основе которых осуществляется такой перевод, называются генетическим кодом.

Первым проблему генетического кода теоретически рассмотрел выдающийся физик Георгий Гамов. Генетический код обладает определённым набором свойств, которые будут рассмотрены ниже.

почему необходим генетический код?

Ранее мы говорили о том, что все реакции в живых организмах осуществляются под действием ферментов, и именно способность ферментов сопрягать реакции даёт возможность клеткам синтезировать биополимеры за счёт энергии гидролиза АТФ. В случае простых линейных гомополимеров, то есть полимеров, состоящих из одинаковых единиц, для такого синтеза достаточно одного фермента. Для синтеза полимера, состоящего из двух чередующихся мономеров, необходимо два фермента, трёх - три и т. д. Если полимер разветвлён, необходимы дополнительные ферменты, образующие связи в точках ветвления. Таким образом, при синтезе некоторых сложных полимеров участвует более десяти ферментов, каждый из которых отвечает за присоединение определённого мономера в определённом месте и определённой связью.

Однако при синтезе нерегулярных гетерополимеров (то есть полимеров без повторяющихся участков) с уникальной структурой, таких как белки и нуклеиновые кислоты, такой подход в принципе невозможен. Фермент может присоединить определённую аминокислоту, но не может определить, в каком месте полипептидной цепи её надо поставить. В этом и состоит основная проблема биосинтеза белков, решение которой невозможно при использовании обычного ферментативного аппарата. Необходим дополнительный механизм, использующий некий источник информации о порядке аминокислот в цепи.

Для решения этой проблемы Кольцов предложил матричный механизм синтеза белков . Он считал, что молекула белка является основой, матрицей для синтеза таких же молекул, т. е. против каждого аминокислотного остатка в полипептидной цепи ставится такая же аминокислота в синтезируемой новой молекуле. Эта гипотеза отражала уровень знания той эпохи, когда все функции живого связывались с определёнными белками.

Однако позднее выяснилось, что веществом, хранящим генетическую информацию, являются нуклеиновые кислоты.

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

КОЛЛИНЕАРНОСТЬ (линейность)

Сначала мы рассмотрим, как в последовательности нуклеотидов записана последовательность аминокислот в белках. Логично предположить, что, поскольку последовательности нуклеотидов и аминокислот линейны, то между ними существует линейное соответствие, т. е. расположенным рядом нуклеотидам в ДНК соответствуют расположенные рядом аминокислоты в полипептиде. На это же указывает линейный характер генетических карт. Доказательством такого линейного соответствия, или коллинеарности, является совпадение линейного расположения мутаций на генетической карте и аминокислотных замен в белках мутантных организмов.

триплетность

При рассмотрении свойств кода реже всего встает вопрос о кодовом числе. Необходимо закодировать 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами. Очевидно, что 1 нуклеотид не может кодировать 1 аминокислоту, т. к. тогда было бы возможно закодировать только 4 аминокислоты. Для того чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов. Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 16 различных комбинаций ($4^2$ = 16). Этого недостаточно. Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 ($4 ^3$ = 64), т. е. даже больше, чем нужно. Понятно, что комбинации из большего числа нуклеотидов тоже могли бы быть использованы, но из соображений простоты и экономии они маловероятны, т. е. код триплетный.

вырожденность и однозначность

В случае 64 комбинаций возникает вопрос, все ли комбинации кодируют аминокислоты или каждой аминокислоте соответствует только один триплет нуклеотидов. Во втором случае большая часть триплетов была бы бессмысленной, а замены нуклеотидов в результате мутаций в двух третях случаев приводили бы к потере белка. Это не соответствовует наблюдаемым частотам потери белка при мутациях, что указывает на использование всех или почти всех триплетов. В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислот . Они служат для того, чтобы обозначать конец полипептидной цепочки. Их называют стоп-кодонами. 61 триплет кодирует различные аминокислоты, т. е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью. Вырожденность имеет место только в направлении от аминокислот к нуклеотидам, в обратном направлении код однозначен, т.е. каждый триплет кодирует одну определённую аминокислоту.

знаки препинания

Важный вопрос, решить который теоретически оказалось невозможным, каким образом триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, отделяются друг от друга, т. е. есть ли в генетическом тексте знаки препинания.

Отсутствие запятых - эксперименты

Остроумные эксперименты Крика и Бреннера позволили узнать, есть ли «запятые» в генетических текстах. В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали возникновение определённого типа мутаций - выпадения или вставки 1 нуклеотида. Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.

Представим себе, что у нас имеется генетический текст, построенный из повторяющейся тройки нуклеотидов АВС (рис. 1, а). В случае, если знаков препинания нет, вставка одного дополнительного нуклеотида приведёт к полному искажению текста (рис. 1, а). Были получены мутации бактериофага, расположенные на генетической карте близко друг от друга. При скрещивании двух фагов, несущих такие мутации, возникал гибрид, несущий две однобуквенные вставки (рис. 1, б). Понятно, что смысл текста терялся и в этом случае. Если же ввести ещё одну однобуквенную вставку, то после короткого неправильного участка смысл восстановится и есть шанс получить функционирующий белок (рис. 1, в). Это верно для триплетного кода при отсутствии знаков препинания. Если кодовое число другое, то и количество необходимых для восстановления смысла вставок будет другим. Если же в коде есть знаки препинания, то вставка нарушит чтение только одного триплета, а весь остальной белок будет синтезироваться правильно и сохранит активность. Эксперименты показали, что однобуквенные вставки всегда приводят к исчезновению белка, а восстановление функции происходит, когда число вставок кратно 3. Таким образом была доказана триплетность генетического кода и отсутствие внутренних знаков препинания.

неперекрываемость

Гамов предположил, что код перекрывающийся, т. е. первый, второй и третий нуклеотиды кодируют первую аминокислоту, второй, третий и четвёртый - вторую аминокислоту, третий, четвёртый и пятый - третью и т. д. Такая гипотеза создавала видимость решения пространственных затруднений, но создавала другую проблему. При таком кодировании за данной аминокислотой не могла идти любая другая, так как в кодирующем её триплете два первых нуклеотида уже были определены, и число возможных триплетов снижалось до четырёх. Анализ последовательностей аминокислот в белках показал, что встречаются все возможные пары соседних аминокислот, т. е. код должен быть неперекрывающимся.

универсальность

расшифровка кода

Когда основные свойства генетического кода были изучены, начались работы по его расшифровке и были определены значения всех триплетов (см. рис.). Триплет, кодирующий определённую аминокислоту, получил название кодона. Как правило, указываются кодоны в мРНК, иногда - в смысловой цепи ДНК (те же кодоны, но с заменой У на Т). Для некоторых аминокислот, например, метионина, существует только один кодон. Другие имеют по два кодона (фенилаланин, тирозин). Есть аминокислоты, которые кодируются тремя, четырьмя и даже шестью кодонами. Кодоны одной аминокислоты похожи друг на друга и, как правило, отличаются одним последним нуклеотидом. Это делает генетический код более устойчивым, так как замена последнего нуклеотида в кодоне при мутациях не ведёт к замене аминокислоты в белке. Знание генетического кода позволяет нам, зная последовательность нуклеотидов в гене, выводить последовательность аминокислот в белке, что широко используется в современных исследованиях.