- 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 такі:

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. Отже, найменше число нуклеотидів, що кодують одну амінокислоту, виявляється рівним трьом. (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). Виняток становлять метіонін та триптофан, які кодуються лише одним триплетом. Крім того, деякі триплет виконують специфічні функції. Так, у молекулі іРНК три з них 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. Одночасно з надмірністю коду властива властивість однозначності, яка означає, що кожному кодону відповідає лише одна певна амінокислота.

4. Код коллінеарен, тобто. послідовність нуклеотидів у гені точно відповідає послідовності амінокислот у білку.

5. Генетичний код неперекривається і компактний, тобто 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). Наприклад, в іРНК наступна послідовність азотистих основ АУГГУГЦУУААУГУГ зчитуватиметься тільки такими триплетами: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ тощо. або АУГ, ГГУ, УГЦ, ЦУУ. д. або ще якимось чином (припустимо, кодон АУГ, розділовий знак Г, кодон УГЦ, розділовий знак У і Т. п.).

6. Генетичний код універсальний, т. е. ядерні гени всіх організмів однаково кодують інформацію про білки незалежно від рівня організації та систематичного становища цих організмів.

Сьогодні ні для кого не є секретом, що програма життєдіяльності всіх живих організмів записана на молекулі ДНК. Найпростіше уявити молекулу ДНК у вигляді довгих сходів. Вертикальні стійки цих сходів складаються з молекул цукру, кисню та фосфору. Вся важлива робоча інформація в молекулі записана на поперечинах сходів - вони складаються з двох молекул, кожна з яких кріпиться до однієї з вертикальних стійок. Ці молекули - азотисті основи - називаються аденін, гуанін, тимін і цитозин, але зазвичай їх позначають просто буквами А, Г, Т і Ц. Форма цих молекул дозволяє їм утворювати зв'язки - закінчені сходинки - лише певного типу. Це зв'язки між основами А і Т і між основами Г і Ц (утворену таким чином пару називають «парою підстав»). Інших типів зв'язку в молекулі ДНК не може бути.

Спускаючись сходами вздовж одного ланцюга молекули ДНК, ви отримаєте послідовність підстав. Саме це повідомлення у вигляді послідовності основ і визначає потік хімічних реакцій у клітині і, отже, особливості організму, що має цю ДНК. Згідно з центральною догмою молекулярної біології, на молекулі ДНК закодована інформація про білки, які, у свою чергу, виступаючи в ролі ферментів ( див.Каталізатори та ферменти), регулюють усі хімічні реакціїу живих організмах.

Сувора відповідність між послідовністю пар основ у молекулі ДНК і послідовністю амінокислот, що становлять білкові ферменти, називається генетичним кодом. Генетичний код розшифрували незабаром після відкриття двоспіральної структури ДНК. Було відомо, що нещодавно відкрита молекула інформаційної, або матричноїРНК (іРНК, або мРНК) несе інформацію, записану на ДНК. Біохіміки Маршалл Уоррен Ніренберг (Marshall W. Nirenberg) та Дж. Генріх Маттеї (J. Heinrich Matthaei) з Національного інститутуохорони здоров'я у містечку Бетезда під Вашингтоном, округ Колумбія, поставили перші експерименти, що призвели до розгадки генетичного коду.

Вони почали з того, що синтезували штучні молекули іРНК, що складалися тільки з азотистої основи урацилу, що повторюється (який є аналогом тиміну, «Т», і утворює зв'язки тільки з аденіном, «А», з молекули ДНК). Вони додавали ці іРНК у тестові пробірки із сумішшю амінокислот, причому в кожній пробірці лише одна з амінокислот була позначена радіоактивною міткою. Дослідники виявили, що штучно синтезована ними іРНК ініціювала утворення білка лише в одній пробірці, де була мічена амінокислота фенілаланін. Так вони встановили, що послідовність «-У-У-У-» на молекулі іРНК (і, отже, еквівалентну їй послідовність «-А-А-А-» на молекулі ДНК) кодує білок, що складається тільки з амінокислоти фенілаланіну. Це було першим кроком до розшифрування генетичного коду.

Сьогодні відомо, що три пари основ молекули ДНК (такий триплет отримав назву кодон) кодують одну амінокислоту в білку. Виконуючи експерименти, аналогічні описаному вище, генетики зрештою розшифрували весь генетичний код, у якому кожному з 64 можливих кодонів відповідає певна амінокислота.

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» у 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 система запису 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. Отже, найменше число нуклеотидів, 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 синтезнагадує 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 у певне місцеклітини – 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 кожної старої половині молекули синтезується нова її 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 в геном 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 недостатньо активні, щоб поєднатися 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, у 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 цілком 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 система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів у ДНК або РНК, що утворюють кодони, що відповідають амінокислотам у білку.

Властивості генетичного коду.

Генетичний код має кілька властивостей.

    Триплетність.

    Виродженість чи надмірність.

    Однозначність.

    Полярність.

    Неперекриваність.

    Компактність.

    Універсальність.

Слід зазначити, що деякі автори пропонують ще й інші властивості коду, пов'язані з хімічними особливостями нуклеотидів, що входять в код, або з частотою народження окремих амінокислот в білках організму і т.д. Однак ці властивості випливають із перелічених вище, тому там ми їх і розглянемо.

а. Триплетність. Генетичний код, як і багато складно організованих систем, має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет – найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона із трьох нуклеотидів. Кодон – найменша функціональна одиниця генетичного коду. Як правило, кодонами називають триплети іРНК. У генетичному кодікодон виконує кілька функцій. По-перше, головна його функція у тому, що він кодує одну амінокислоту. По-друге, кодон може не кодувати амінокислоту, але в цьому випадку він виконує іншу функцію (див. далі). Як видно з визначення, триплет – це поняття, яке характеризує елементарну структурну одиницюгенетичного коду (три нуклеотиди). Кодон – характеризує елементарну смислову одиницюгеному – три нуклеотиди визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.

Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, та був її існування підтвердили експериментально. 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом т.к. останніх всього 4. Три нуклеотиди з чотирьох дають 4 3 = 64 варіанти, що з надлишком перекриває число амінокислот, що є в живих організмах (див.табл. 1).

Подані у таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів триплетів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплети не кодують

амінокислота є стоп-сигналами, що позначають кінець трансляції. Таких триплетів три – УАА, УАГ, УГА, їх ще називають "безглузді" (нонсенс кодони). В результаті мутації, яка пов'язана із заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, із смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (у його інформаційній частині), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватись – синтезуватиметься лише перша (до стоп-сигналу) частина білка. У людини з такою патологією відчуватиметься нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цим браком. Наприклад, такого роду мутація виявлена ​​в гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується вкорочений неактивний ланцюг гемоглобіну, який швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну, позбавлена ​​бета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи повноцінно виконуватиме свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається на кшталт гемолітичної анемії (бета-нуль таласемія, від грецького слова «Таласа» — Середземне море, де ця хвороба вперше виявлена).

Механізм дії стоп-кодонів відрізняється від механізму дії смислових кодонів. Це випливає з того, що для всіх кодони, що кодують амінокислоти, знайдено відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдено. Отже, у процесі припинення синтезу білка тРНК не бере участі.

КодонАУГ (у бактерій іноді ГУГ) не тільки кодують амінокислоту метіонін та валін, але і єініціатором трансляції .

б. Виродженість чи надмірність.

61 з 64 триплетів кодують 20 амінокислот. Таке триразове перевищення числа триплетів над кількістю амінокислот дозволяє припустити, що у перенесенні інформації можуть бути використані два варіанти кодування. По-перше, не всі 64 кодони можуть бути задіяні в кодуванні 20 амінокислот, а тільки 20 і, по-друге, амінокислоти можуть кодуватися кількома кодонами. Дослідження показали, що природа використала останній варіант.

Його перевага очевидна. Якби з 64 варіанти триплетів у кодуванні амінокислот брало участь лише 20, то 44 триплети (з 64) залишалися б кодуючими, тобто. безглуздими (нонсенс-кодон). Раніше ми вказували, наскільки небезпечним для життєдіяльності клітини є перетворення кодуючого триплету в результаті мутації в нонсенс-кодон — це суттєво порушує нормальну роботу РНК-полімерази, призводячи врешті-решт до розвитку захворювань. В даний час у нашому геномі три кодони є безглуздими, а тепер уявіть, що було б якщо число нонсенс-кодонів збільшиться приблизно в 15 разів. Зрозуміло, що в такій ситуації перехід нормальних кодонів у нонсенс-кодони буде набагато вище.

Код, у якому одна амінокислота кодується кількома триплетами, називається виродженим чи надлишковим. Майже кожну амінокислоту відповідає кілька кодонів. Так, амінокислота лейцин може кодуватися шістьма триплетами – УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валін кодується чотирма триплетами, фенілаланін - двома і тільки триптофан та метіонінкодуються одним кодоном. Властивість, яка пов'язана із записом однієї і тієї ж інформації різними символами носить назву виродженість.

Число кодонів, призначених для однієї амінокислоти, добре корелюється з частотою амінокислоти в білках.

І це, найімовірніше, не випадково. Чим більша частота амінокислоти в білку, тим частіше представлений кодон цієї амінокислоти в геномі, тим вище ймовірність його пошкодження мутагенними факторами. Тому зрозуміло, що мутований кодон має більше шансів кодувати тугіше амінокислоту при високій його виродженості. З цих позицій виродженість генетичного коду є механізмом, що захищає геном людини від пошкоджень.

Слід зазначити, що термін виродженість використовується в молекулярній генетики та в іншому сенсі. Так основна частина інформації в кодоні припадає на перші два нуклеотиди, основа в третьому положенні кодону виявляється малоістотною. Цей феномен називають “виродженістю третьої основи”. Остання особливість зводить до мінімуму ефект мутацій. Наприклад, відомо, що основною функцією еритроцитів крові є перенесення кисню від легень до тканин і Вуглекислий газвід тканин до легень. Здійснює цю функцію дихальний пігмент – гемоглобін, який заповнює всю цитоплазму еритроциту. Складається він із білкової частини – глобіну, який кодується відповідним геном. Крім білка, в молекулу гемоглобіну входить гем, що містить залізо. Мутації у глобінових генах призводять до появи різних варіантів гемоглобінів. Найчастіше мутації пов'язані з заміною одного нуклеотиду на інший та появою в гені нового кодонуякий може кодувати нову амінокислоту в поліпептидному ланцюгу гемоглобіну У триплеті в результаті мутації може бути замінений будь-який нуклеотид - перший, другий або третій. Відомо кілька сотень мутацій, що стосуються цілісності генів глобіну. Біля 400 з них пов'язані із заміною одиничних нуклеотидів у гені та відповідною амінокислотною заміною в поліпептиді. З них тільки 100 замін призводять до нестабільності гемоглобіну та різноманітних захворювань від легень до дуже важких. 300 (приблизно 64%) мутацій-замін не впливають на функцію гемоглобіну та не призводять до патології. Однією з причин цього є згадана вище "виродженість третьої основи", коли заміна третього нуклеотиду в триплеті, що кодує серин, лейцин, пролін, аргінін і деякі інші амінокислоти призводить до появи кодона-синоніма, що кодує ту ж амінокислоту. Фенотипово така мутація не виявиться. На відміну від цього, будь-яка заміна першого або другого нуклеотиду в триплеті в 100% випадках призводить до появи нового варіанту гемоглобіну. Але й у разі важких фенотипічних порушень може й бути. Причиною цього є заміна амінокислоти в гемоглобіні на іншу подібну до першої за фізико-хімічними властивостями. Наприклад, якщо амінокислота, що має гідрофільні властивості, замінена на іншу амінокислоту, але з такими ж властивостями.

Гемоглобін складається із залізопорфіринової групи гему (до неї і приєднуються молекули кисню та вуглекислоти) та білка – глобіну. Гемоглобін дорослої людини (НвА) містить дві ідентичні-ланцюги та два-ланцюги. Молекула-ланцюга містить 141 амінокислотних залишків,-ланцюжок - 146,- І-ланцюги розрізняються за багатьма амінокислотними залишками. Амінокислотна послідовність кожного глобінового ланцюга кодується власним геном. Ген, що кодує-ланцюг розташовується в короткому плечі 16 хромосоми,-ген - у короткому плечі 11 хромосоми. Заміна в гені, що кодує-ланцюг гемоглобіну першого або другого нуклеотиду практично завжди призводить до появи у білка нових амінокислот, порушення функцій гемоглобіну та тяжких наслідків для хворого. Наприклад, заміна "Ц" в одному з триплетів ЦАУ (гістидин) на "У" - призведе до появи нового триплету УАУ, що кодує іншу амінокислоту - тирозин Фенотипово це проявиться в тяжкому захворюванні.. Аналогічна заміна в 63 положенні-ланцюги поліпептиду гістидину на тирозин призведе до дестабілізації гемоглобіну Розвивається захворювання на метгемоглобінемію. Заміна внаслідок мутації глутамінової кислоти на валін у 6-му положенні-ланцюги є причиною найтяжчого захворювання - серповидно-клітинної анемії Не продовжуватимемо сумний список. Зазначимо лише, що з заміні перших двох нуклеотидів може з'явиться амінокислота по фізико-хімічним властивостям схожа колишню. Так, заміна 2-го нуклеотиду в одному з триплетів, що кодує глутамінову кислоту (ГАА)-ланцюга на "У" призводить до появи нового триплету (ГУА), що кодує валін, а заміна першого нуклеотиду на "А" формує триплет ААА, що кодує амінокислоту лізин. Глутамінова кислота та лізин подібні за фізико-хімічними властивостями – вони обидві гідрофільні. Валін – гідрофобна амінокислота. Тому, заміна гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофобний валін, значно змінює властивості гемоглобіну, що, зрештою, призводить до розвитку серповидноклітинної анемії, заміна ж гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофільний лізин меншою мірою змінює функцію гемоглобіну - у хворих виникає легка форма. В результаті заміни третьої основи новий триплет може кодувати тугіше амінокислоти, що і колишньої. Наприклад, якщо в триплеті ЦАУ урацил був замінений на цитозин і виник триплет ЦАЦ, то ніяких фенотипічних змін у людини виявлено не буде. Це відомо, т.к. обидва триплети кодують одну й тугішу амінокислоту – гістидин.

Наприкінці доречно наголосити, що виродженість генетичного коду та виродженість третьої основи із загальнобіологічної позиції є захисними механізмами, які закладені в еволюції в унікальній структурі ДНК та РНК.

в. Однозначність.

Кожен триплет (крім безглуздих) кодує лише одну амінокислоту. Таким чином, у напрямку кодон – амінокислота генетичний код однозначний, у напрямку амінокислота – кодон – неоднозначний (вироджений).

Однозначний

Кодон амінокислота

Вироджений

І в цьому випадку необхідність однозначності у генетичному коді очевидна. При іншому варіанті при трансляції одного і того ж кодону в білковий ланцюжок вбудовувалися б різні амінокислоти і в результаті формувалися білків з різною первинною структурою різною функцією. Метаболізм клітини перейшов у режим роботи «один ген – кілька поипептидов». Зрозуміло, що в такій ситуації регулююча функція генів була б повністю втрачена.

м. Полярність

Зчитування інформації з ДНК та з іРНК відбувається тільки в одному напрямку. Полярність має важливе значеннявизначення структур вищого порядку (вторинної, третинної тощо.). Раніше ми говорили, що структури нижчого порядку визначають структури вищого порядку. Третинна структура та структури більш високого порядкуу білків, формуються відразу ж як тільки синтезований ланцюжок РНК відходить від молекули ДНК або ланцюжок поліпептиду відходить від рибосоми. У той час коли вільний кінець РНК або поліпептиду набуває третинної структури, інший кінець ланцюжка ще продовжує синтезуватися на ДНК (якщо транскрибується РНК) або рибосомі (якщо транскрибується поліпептид).

Тому односпрямований процес зчитування інформації (при синтезі РНК і білка) має істотне значення не тільки для визначення послідовності нуклеотидів або амінокислот у речовині, що синтезується, але для жорсткої детермінації вторинної, третинної і т.д. структур.

д. Неперекриваність.

Код може бути таким, що перекривається і не перекривається. У більшості організмів код не перекривається. Код, що перекривається, знайдений у деяких фагів.

Сутність коду, що не перекриває, полягає в тому, що нуклеотид одного кодону не може бути одночасно нуклеотидом іншого кодону. Якби код був перекриваючим, то послідовність із семи нуклеотидів (ГЦУГЦУГ) могла кодувати не дві амінокислоти (аланін-аланін) (рис.33,А) як у випадку з кодом, що не перекривається, а три (якщо загальним є один нуклеотид) (рис. 33, Б) або п'ять (якщо загальними є два нуклеотиди) (див. рис. 33, В). В останніх двох випадках мутація будь-якого нуклеотиду призвела б до порушення послідовності двох, трьох і т.д. амінокислот.

Однак встановлено, що мутація одного нуклеотиду завжди порушує включення до поліпептид однієї амінокислоти. Це істотний аргумент на користь того, що код є таким, що не перекривається.

Пояснимо це на малюнку 34. Жирними лініями показані триплети кодуючі амінокислоти у разі коду, що не перекривається і перекривається. Експерименти однозначно показали, що генетичний код є таким, що не перекривається. Не вдаючись до деталей експерименту відзначимо, що й замінити у послідовності нуклеотидів (див. рис.34) третій нуклеотидУ (відзначений зірочкою) на будь-якій іншій:

1. При коді, що не перекривається, контрольований цією послідовністю білок мав би заміну однієї (першої) амінокислоті (позначена зірочками).

2. При коді, що перекривається, у варіанті А відбулася б заміна в двох (першій і другій) амінокислотах (позначені зірочками). При варіанті Б заміна торкнулася б трьох амінокислот (позначені зірочками).

Однак численні досліди показали, що при порушенні одного нуклеотиду в ДНК, порушення в білку завжди стосуються тільки однієї амінокислоти, що характерно для коду, що не перекривається.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

*** *** *** *** *** ***

Аланін – Аланін Ала – Ціс – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей

А Б В

Код, що не перекривається Перекривається код

Мал. 34. Схема, що пояснює наявність у геномі коду, що не перекривається (пояснення в тексті).

Неперекриваність генетичного коду пов'язані з ще однією властивістю – зчитування інформації починається з певної точки – сигналу ініціації. Таким сигналом ініціації іРНК є кодон, що кодує метіонін АУГ.

Слід зазначити, що людина все-таки має невелику кількість генів, які відступають від загального правилата перекриваються.

е. Компактність.

Між кодонами немає розділових знаків. Іншими словами триплети не відокремлені один від одного, наприклад, одним нуклеотидом, що нічого не означає. Відсутність у генетичній коді «розділових знаків» було доведено в експериментах.

ж. Універсальність.

Код єдиний всім організмів що живуть Землі. Прямий доказ універсальності генетичного коду було отримано при порівнянні послідовностей ДНК з білковими послідовностями. Виявилося, що у всіх бактеріальних та еукаріотичних геномах використовуються одні й самі набори кодових значень. Є й винятки, але їх небагато.

Перші винятки з універсальності генетичного коду виявили в мітохондріях деяких видів тварин. Це стосувалося кодону термінатора УГА, який читався так само, як кодон УГГ, що кодує амінокислоту триптофан. Було знайдено й інші рідкісні відхилення від універсальності.

Кодова система ДНК.

Генетичний код ДНК складається з 64 триплетів нуклеотидів. Ці триплет називають кодонами. Кожен кодон кодує одну з 20 амінокислот, що використовуються у синтезі білків. Це дає деяку надмірність у коді: більшість амінокислот кодується більш ніж одним кодоном.
Один кодон виконує дві взаємопов'язані функції: сигналізує про початок перекладу і кодує включення амінокислоти метіоніну (Met) в поліпептидний ланцюг, що росте. Кодова система днк влаштована так, що генетичний код може бути виражений як РНК-кодонами, або кодонамиДНК. РНК-кодони зустрічаються в РНК (мРНК) і ці кодони можуть читати інформацію в процесі синтезу поліпептидів (процес, званий перекладом). Але кожна молекула мРНК набуває послідовності нуклеотидів у транскрипції з відповідного гена.

Усі, крім двох амінокислот (Met та Trp) можуть бути закодовані за допомогою від 2 до 6 різних кодонів. Тим не менш, геном більшості організмів показує, що певні кодони є кращими в порівнянні з іншими. У людини, наприклад, аланін кодується GCC чотири рази частіше, ніж у GCG. Це, ймовірно, свідчить про більшу ефективність переведення апарату трансляції (наприклад, рибосоми) для деяких кодонів.

Генетичний код майже універсальний. Ті ж кодони призначені на ту ж ділянку амінокислот і тим самим сигнали пуску та зупинки в переважній більшості збігаються у тварин, рослин та мікроорганізмів. Проте, деякі винятки було знайдено. Більшість з них включають призначення одного або двох із трьох стоп-кодонів до амінокислоти.

Генетичний код, що у кодонах, це система кодування інформації про будову білків, властива всім живим організмам планети. Його розшифрування зайняло десятиліття, а ось те, що він існує, наука розуміла майже сторіччя. Універсальність, специфічність, односпрямованість, особливо виродженість генетичного коду мають важливе біологічне значення.

Історія відкриттів

Проблема кодування завжди була ключовою у біології. До матричної будови генетичного коду наука просувалася досить повільно. З моменту виявлення Дж. Вотсоном і Ф. Криком у 1953 році подвійний спіральної структури ДНК розпочався етап розгадування самої структури коду, який спонукав віру у велич природи. Лінійна структура білків і така сама структура ДНК мала на увазі наявність генетичного коду як відповідності двох текстів, але записаних за допомогою різних алфавітів. І якщо алфавіт білків був відомий, то знаки ДНК стали предметом вивчення біологів, фізиків та математиків.

Немає сенсу описувати всі кроки у вирішенні цієї загадки. Прямий експеримент, який доказав і підтвердив, що між кодонами ДНК та амінокислотами білка існує чітка та послідовна відповідність, провели у 1964 році Ч. Яновський та С. Бреннер. А далі – період розшифрування генетичного коду in vitro (у пробірці) з використанням технік синтезу білка у безклітинних структурах.

Повністю розшифрований код E. Coli був оприлюднений у 1966 році на симпозіумі біологів у Колд-Спрінг-Харборі (США). Тоді й відкрилася надмірність (виродженість) генетичного коду. Що це означає, пояснилося досить просто.

Розкодування продовжується

Отримання даних про розшифрування спадкового коду стало однією з значних подій минулого століття. Сьогодні наука продовжує поглиблено досліджувати механізми молекулярних кодувань та його системних особливостей та надлишку знаків, у чому виражається властивість виродженості генетичного коду. Окрема галузь вивчення - виникнення та еволюціонування системи кодування спадкового матеріалу. Докази зв'язку полінуклеотидів (ДНК) та поліпептидів (білки) дали поштовх розвитку молекулярної біології. А та, у свою чергу, біотехнологіям, біоінженерії, відкриттям у селекції та рослинництві.

Догми та правила

Головна догма молекулярної біології – інформація передається з ДНК на інформаційну РНК, а потім з неї на білок. У зворотному напрямку передача можлива з РНК ДНК і з РНК іншу РНК.

Але матрицею чи основою завжди залишається ДНК. І всі інші фундаментальні особливості передачі - це відображення цього матричного характеру передачі. А саме передачі шляхом здійснення синтезу на матриці інших молекул, які стануть структурою відтворення спадкової інформації.

Генетичний код

Лінійне кодування структури білкових молекул здійснюється за допомогою комплементарних кодонів (триплетів) нуклеотидів, яких всього 4 (адеїн, гуанін, цитозин, тимін (урацил)), що спонтанно призводить до утворення іншого ланцюжка нуклеотидів. Однакове число та хімічна компліментарність нуклеотидів – це головна умова такого синтезу. Але при утворенні білкової молекули якості відповідності кількості та якості мономерів немає (ДНК нуклеотиди – амінокислоти білка). Це і є природний спадковий код – система запису в послідовності нуклеотидів (кодонах) послідовності амінокислот у білку.

Генетичний код має кілька властивостей:

  • Триплетність.
  • Однозначність.
  • Спрямованість.
  • Неперекриваність.
  • Надмірність (виродженість) генетичного коду.
  • Універсальність.

Наведемо коротку характеристикуконцентруючи увагу на біологічному значенні.

Триплетність, безперервність та наявність стоп-сигналів

Кожній з 61 амінокислоти відповідає один значеннєвий триплет (трійка) нуклеотидів. Три триплети не несуть інформацію про амінокислоту і є стоп-кодонами. Кожен нуклеотид у ланцюжку входить до складу триплету, а не існує сам по собі. Наприкінці та на початку ланцюжка нуклеотидів, які відповідають за один білок, знаходяться стоп-кодони. Вони запускають або зупиняють трансляцію (синтез білкової молекули).

Специфічність, неперекриваність та односпрямованість

Кожен кодон (триплет) кодує лише одну амінокислоту. Кожен триплет не залежить від сусіднього та не перекривається. Один нуклеотид може входити лише в один триплет у ланцюжку. Синтез білка завжди завжди в одному напрямку, що регулюють стоп-кодони.

Надмірності генетичного коду

Кожен триплет нуклеотидів кодує одну амінокислоту. Усього 64 нуклеотиди, з них 61 - кодують амінокислоти (смислові кодони), а три - безглузді, тобто амінокислоту не кодують (стоп-кодони). Надмірність (виродженість) генетичного коду полягає в тому, що в кожному триплеті можуть бути зроблені заміни – радикальні (приводять до заміни амінокислоти) та консервативні (не змінюють клас амінокислоти). Легко порахувати, якщо в триплеті можна провести 9 замін (1, 2 і 3 позиція), кожен нуклеотид можна замінити на 4 - 1 = 3 інших варіанти, то загальна кількість можливих варіантівзамін нуклеотиду буде 61 9 = 549.

Виродженість генетичного коду виявляється в тому, що 549 варіантів – це набагато більше, ніж необхідно для закодування інформації про 21 амінокислоту. При цьому з 549 варіантів 23 заміни призведуть до утворення стоп-кодонів, 134 + 230 заміни – консервативні, та 162 заміни – радикальні.

Правило виродженості та виключення

Якщо два кодони мають два однакові перші нуклеотиди, а ті, що залишилися, представлені нуклеотидами одного класу (пуринові або піримідинові), то вони несуть інформацію про одну і ту ж амінокислоту. Це і є правило виродженості чи надмірності генетичного коду. Два винятки - АУА та УГА - перший кодує метіонін, хоча мав би ізолейцин, а другий - стоп-кодон, хоча мав би кодувати триптофан.

Значення виродженості та універсальності

Саме ці дві властивості генетичного коду мають найбільше біологічне значення. Усі властивості, перелічені вище, характерні для спадкової інформації всіх форм живих організмів нашій планеті.

Виродженість генетичного коду має пристосовне значення як багаторазове дублювання коду однієї амінокислоти. Крім того, це означає зниження значущості (виродження) третього нуклеотиду в кодоні. Такий варіант зводить до мінімуму мутаційні ушкодження в ДНК, які спричинять грубі порушення в структурі білка. Це захисний механізмживих організмів планети.