Кодування генів Генетичний код як спосіб запису спадкової інформації

Міністерство освіти та науки Російської Федерації Федеральне агентство з освіти

Державний навчальний заклад вищої професійної освіти "Алтайський державний технічний університет ім. І.І. Ползунова"

Кафедра "Природознавства та системного аналізу"

Реферат на тему "Генетичний код"

1. Поняття генетичного коду

3. Генетична інформація

Список літератури

1. Поняття генетичного коду

Генетичний код - властива живим організмам єдина система запису спадкової інформації у молекулах нуклеїнових кислот як послідовності нуклеотидів. Кожен нуклеотид позначається великою літерою, з якої починається назва азотистої основи, що входить до його складу: - А(A) аденін; - Г(G) гуанін; - Ц(C) цитозин; - Т (T) тімін (в ДНК) або У (U) урацил (мРНК).

Реалізація генетичного коду в клітині відбувається у два етапи: транскрипцію та трансляцію.

Перший протікає в ядрі; він полягає у синтезі молекул і-РНК на відповідних ділянках ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів ДНК переписується в нуклеотидну послідовність РНК. Другий етап протікає у цитоплазмі, на рибосомах; при цьому послідовність нуклеотидів і-РНК перетворюється на послідовність амінокислот у білку: цей етап протікає за участю транспортної РНК (т-РНК) та відповідних ферментів.

2. Властивості генетичного коду

1. Триплетність

Кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів.

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.

Всі амінокислоти, за винятком метіоніну і триптофану, кодуються більш ніж одним триплетом: 2 амінокислоти по 1 триплету = 2 9 61 триплет кодує 20 амінокислот.

3. Наявність міжгенних розділових знаків.

Ген- це ділянка ДНК, що кодує один поліпептидний ланцюг або одну молекулу tРНК, rРНК або sРНК.

Гени tРНК, rРНК, sРНК білки не кодують.

В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х термінуючих кодонів, або стоп-сигналів: UAA, UAG, UGA. Вони термінують трансляцію.

Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - перший після лідерної послідовності. 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 1961р. Сеймур Бензер і Френк Крик експериментально довели триплетність коду і його компактність.

Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду. Поодинока "+" або "-" мутація на початку гена псує весь ген. Подвійна "+" чи "-" 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 триплетен і всередині гена немає розділових знаків. Експеримент був проведений на двох поруч розташованих фагових генах і показав, крім того, наявність розділових знаків між генами.

3. Генетична інформація

Генетична інформація - програма властивостей організму, одержувана від предків і закладена у спадкових структурах як генетичного коду.

Передбачається, що становлення генетичної інформації йшло за схемою: геохімічні процеси – мінералоутворення – еволюційний каталіз (автокаталіз).

Можливо, що перші примітивні гени являли собою мікрокристалічні кристали глини, причому кожен новий шар глини вибудовується відповідно до особливостей будови попереднього, ніби отримуючи від нього інформацію про будову.

Реалізація генетичної інформації відбувається у процесі синтезу білкових молекул за допомогою трьох РНК: інформаційної (іРНК), транспортної (тРНК) та рибосомальної (рРНК). Процес передачі інформації йде: - каналом прямого зв'язку: ДНК - РНК - білок; і - каналом зворотний зв'язок: середовище - білок - ДНК.

Живі організми здатні отримувати, зберігати та передавати інформацію. Причому живим організмам притаманне прагнення отриману інформацію про себе та навколишній світ використовувати максимально ефективно. Спадкова інформація, закладена в генах і необхідна живому організму для існування, розвитку та розмноження, передається від кожного індивіда його нащадкам. Ця інформація визначає напрямок розвитку організму, і в процесі взаємодії його з навколишнім середовищем реакція на її індивіда може спотворюватися, забезпечуючи тим самим еволюцію розвитку нащадків. У процесі еволюції живого організму і запам'ятовується нова інформація, зокрема йому зростає цінність інформації.

У результаті реалізації спадкової інформації у певних умовах довкілля формується фенотип організмів даного біологічного виду.

Генетична інформація визначає морфологічну будову, зростання, розвиток, обмін речовин, психічний склад, схильність до захворювань та генетичні вади організму.

Багато вчених, справедливо підкреслюючи роль інформації у становленні та еволюції живого, відзначали цю обставину як один із головних критеріїв життя. Так, В.І. Карагодін вважає: "Живе є така форма існування інформації та кодованих нею структур, яка забезпечує відтворення цієї інформації у відповідних умовах довкілля". Зв'язок з життям зазначає і О.А. Ляпунов: "Життя - це високовпорядкований стан речовини, що використовує для вироблення реакцій, що зберігаються, інформацію, що кодується станами окремих молекул". Відомий наш астрофізик Н.С. Кардашев також підкреслює інформаційну складову життя: "Життя виникає завдяки можливості синтезу особливого роду молекул, здатних запам'ятовувати та використовувати спочатку найпростішу інформацію про навколишнє середовище та власну структуру, яку вони використовують для самозбереження, для відтворення і, що для нас особливо важливо, отримання ще більшу кількість інформації". На цю здатність живих організмів зберігати і передавати інформацію звертає увагу у своїй книзі "Фізика безсмертя" еколог Ф. Тіплер: "Я визначаю життя як закодовану інформацію, яка зберігається природним відбором". Більше того, він вважає, якщо це так, то система життя – інформація є вічною, нескінченною та безсмертною.

Розкриття генетичного коду та встановлення закономірностей молекулярної біології показали необхідність поєднання сучасної генетики та дарвінівської теорії еволюції. Так народилася нова біологічна парадигма – синтетична теорія еволюції (СТЕ), яку можна розглядати як некласичну біологію.

Основні ідеї еволюції Дарвіна з його тріадою – спадковістю, мінливістю, природним відбором – у сучасному уявленні еволюції живого світу доповнюються уявленнями не просто природного відбору, а такого відбору, який детерміновано генетично. Початком розробки синтетичної чи загальної еволюції вважатимуться роботи С.С. Четверикова з популяційної генетики, у яких було показано, що добору піддаються не окремі ознаки і особини, а генотип всієї популяції, але здійснюється через фенотипічні ознаки окремих особин. Це призводить до поширення корисних змін у всій популяції. Таким чином, механізм еволюції реалізується як через випадкові мутації на генетичному рівні, так і через успадкування найбільш цінних ознак (цінності інформації!), Які визначають адаптацію мутаційних ознак до навколишнього середовища, забезпечуючи найбільш життєздатне потомство.

Сезонні зміни клімату, різних природні чи техногенні катастрофи з одного боку, призводять до зміни частоти повторюваності генів у популяціях і, як наслідок, зниження спадкової мінливості. Цей процес іноді називають дрейфом генів. А з іншого - до змін концентрації різних мутацій та зменшення різноманітності генотипів, що містяться в популяції, що може призвести до змін спрямованості та інтенсивності дії відбору.

4. Розшифрування генетичного коду людини

У травні 2006 року вчені, які працюють над розшифровкою геному людини, опублікували повну генетичну карту хромосоми 1, яка була останньою з повністю секвенсованої хромосомою людини.

Попередня генетична карта людини була опублікована у 2003 році, що ознаменувало формальне завершення проекту Human Genome. У його рамках було секвенсовано фрагменти геному, що містять 99% генів людини. Точність ідентифікації генів становила 99,99%. Однак на момент завершення проекту повністю секвенсовано було лише чотири з 24 хромосом. Справа в тому, що крім генів хромосоми містять фрагменти, що не кодують жодних ознак і не беруть участь у синтезі білків. Роль, які ці фрагменти грають у житті організму поки що залишається невідомою, але дедалі більше дослідників схиляються до думки, що й вивчення вимагає найпильнішої уваги.

Раніше ми підкреслювали, що нуклеотиди мають важливу для формування життя на Землі особливість – за наявності в розчині одного полінуклеотидного ланцюжка спонтанно відбувається процес утворення другого (паралельного) ланцюжка на основі комплементарної сполуки споріднених нуклеотидів. Однакове число нуклеотидів, в обох ланцюжках та їх хімічна спорідненість, є неодмінною умовою для здійснення таких реакцій. Однак при синтезі білка, коли інформація з іРНК реалізується в структуру білка, ніякої мови про дотримання принципу комплементарності йти не може. Це з тим, що у иРНК, й у синтезованому білку по-різному як кількість мономерів, а й, що особливо важливо, відсутня структурне подібність з-поміж них (з одного боку нуклеотиди, з іншого амінокислоти). Зрозуміло, що в цьому випадку виникає необхідність створення нового принципу точного переведення інформації з полінуклеотиду до структури поліпептиду. В еволюції такий принцип було створено і в його основу було закладено генетичний код.

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.

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 коді кодон 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

Таблиця 1.

Кодони інформаційної РНК та відповідні їм амінокислоти

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 небезпечне для життєдіяльності клітини перетворення кодуючого триплету в результаті мутації в нонсенс-кодон - це суттєво порушує нормальну роботу РНК-полімерази, зумовлюючи зрештою розвиток 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 та вуглекислого газу від 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 у 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 та 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 значення для визначення структур вищого порядку (вторинної, третинної і т.д.). Раніше ми говорили, що структури нижчого порядку визначають структури вищого порядку. Третинна структура та структури вищого порядку у 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 є невелика кількість генів, які відступають від загального правила і 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.

МОЗ. Генетичний код – це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів у ДНК або РНК, що утворюють кодони,

відповідні амінокислотам у білку.Генетичний код має кілька властивостей.

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 реакції в 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 інституту охорони здоров'я в містечку Бетезда під Вашингтоном, округ Колумбія, поставили перші експерименти, які 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.

- єдина система запису спадкової інформації у молекулах нуклеїнових кислот як 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.

Класифікація генів

1) За характером взаємодії аллельної парі:

Домінантний (ген, здатний пригнічувати прояв аллельного йому рецесивного гена); - рецесивний (ген, прояв якого пригнічений алельним домінантним йому геном).

2) Функціональна класифікація:

2) Генетичний код- це певні поєднання нуклеотидів та послідовність їх розташування у молекулі ДНК. Це властивий для всіх живих організмів спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди - аденін (А), гуанін (G), цитозин (С), тимін (T), які в російськомовній літературі позначаються літерами А, Г, Т і Ц. Ці літери становлять алфавіт генетичного коду. У РНК використовуються самі нуклеотиди, крім тіміну, який замінений схожим нуклеотидом - урацилом, який позначається буквою U (У російськомовної літературі). У молекулах ДНК та РНК нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних літер.

Генетичний код

Для побудови білків у природі використовується 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот у строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, отже всі його біологічні властивості. Набір амінокіслот також універсальний для багатьох живих організмів.

Реалізація генетичної інформації в живих клітинах (тобто синтез білка, що кодується геном) здійснюється за допомогою двох матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу іРНК на матриці ДНК) та трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез поліпептидного ланцюга на матриці іРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також сигналу стоп, що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір із трьох нуклеотидів називається триплетом. Прийняті скорочення, що відповідають амінокислотам та кодонам, зображені на малюнку.

Властивості генетичного коду

1. Триплетність- Значною одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (триплет, або кодон).

2. Безперервність- між триплетами немає розділових знаків, тобто інформація зчитується безперервно.

3. Дискретність- той самий нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів.

4. Специфіка- Певний кодон відповідає лише одній амінокислоті.

5. Виродженість (надмірність)- одній і тій амінокислоті може відповідати кілька кодонів.

6. Універсальність - генетичний кодпрацює однаково в організмах різного рівня складності – від вірусів до людини. (На цьому засновані методи генної інженерії)

3) транскрипція - 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. Процес синтезу РНК протікає у напрямку від 5"- до 3"-кінцю, тобто по матричному ланцюгу ДНК РНК-полімераза рухається в напрямку 3"->5"

Транскрипція складається із стадій ініціації, елонгації та термінації.

Ініціація транскрипції- складний процес, що залежить від послідовності ДНК поблизу транскрибируемой послідовності (а в еукаріотів також і від більш далеких ділянок геному - енхансерів і сайленсерів) і від наявності або відсутності різних білкових факторів.

Елонгація- продовжується подальше розплетення ДНК і синтез РНК по ланцюгу, що кодує. він так само як і синтез ДНК здійснюється в напрямку 5-3

Термінація- як тільки полімераза досягає термінатора, вона негайно відщеплюється від ДНК, локальний гібрид ДНК - РНК руйнується і новосинтезована РНК транспортується з ядра до цитоплазми на цьому транскрипція завершується.

Процесинг- Сукупність реакцій, що ведуть до перетворення первинних продуктів транскрипції та трансляції у функціонуючі молекули. П. піддаються функціонально неактивні молекули-попередники разл. рибонуклеїнових к-т (тРНК, рРНК, мРНК) та багато інших. білків.

У процесі синтезу катаболічних ферментів (що розщеплюють субстрати) у прокаріотів відбувається індукований синтез ферментів. Це дає клітині можливість пристосовуватися до умов довкілля та економити енергію, припиняючи синтез відповідного ферменту, якщо потреба у ньому зникає.
Для індукції синтезу катаболічних ферментів обов'язковими є такі умови:

1. Фермент синтезується лише тоді, коли розщеплення відповідного субстрату необхідне клітини.
2. Концентрація субстрату в середовищі має перевищити певний рівень, перш ніж відповідний фермент зможе утворитися.
Найбільш добре вивчений механізм регуляції експресії генів у кишкової палички на прикладі lac-оперону, який контролює синтез трьох катаболічних ферментів, що розщеплюють лактозу. Якщо в клітині багато глюкози та мало лактози, промотор залишається неактивним, а на операторі знаходиться білок репресор – блокується транскрипція lac-оперону. Коли кількість глюкози в середовищі, а отже і в клітині, зменшується, а лактози збільшується, відбуваються такі події: кількість циклічного аденозинмонофосфату збільшується, він зв'язується з САР-білком - цей комплекс активує промотор, з яким з'єднується РНК-полімераза; у цей час надлишок лактози з'єднується з білком-репресором і звільняє від нього оператор - шлях для РНК-полимеразы відкритий, починається транскрипція структурних генів lac -оперона. Лактоза виступає як індуктор синтезу тих ферментів, які її розщеплюють.

5) Регуляція експресії генів у еукаріотівпротікає набагато складніше. Різні типи клітин багатоклітинного еукаріотичного організму синтезують ряд однакових білків і в той же час відрізняються один від одного набором білків, специфічних для клітин даного типу. Рівень продукції залежить від типу клітин, і навіть від стадії розвитку організму. Регуляція експресії генів складає рівні клітини і лише на рівні організму. Гени еукаріотичних клітин діляться на дваОсновні види: перший визначає універсальність клітинних функцій, другий – детермінує (визначає) спеціалізовані клітинні функції. Функції генів першої групивиявляються у всіх клітинах. Для здійснення диференційованих функцій спеціалізовані клітини мають експресувати певний набір генів.
Хромосоми, гени та оперони еукаріотичних клітин мають низку структурно-функціональних особливостей, що пояснює складність експресії генів.
1. Оперони еукаріотичних клітин мають кілька генів – регуляторів, які можуть розташовуватись у різних хромосомах.
2. Структурні гени, що контролюють синтез ферментів одного біохімічного процесу, можуть бути зосереджені в кількох оперонах, розташованих не тільки в одній молекулі ДНК, а й у кількох.
3. Складна послідовність молекули ДНК. Є інформативні та неінформативні ділянки, унікальні та багаторазово повторювані інформативні послідовності нуклеотидів.
4. Еукаріотичні гени складаються з екзонів та інтронів, причому дозрівання і-РНК супроводжується вирізанням інтронів із відповідних первинних РНК-транскриптів (про-і-РНК), тобто. сплайсинг.
5. Процес транскрипції генів залежить стану хроматину. Локальна компактизація ДНК повністю блокує синтез РНК.
6. Транскрипція в еукаріотів не завжди пов'язана з трансляцією. Синтезована і-РНК може тривалий час зберігатися як інформосом. Транскрипція та трансляція відбуваються у різних компартментах.
7. Деякі гени еукаріотів мають непостійну локалізацію (лабільні гени або транспозони).
8. Методи молекулярної біології виявили гальмуючу дію білків-гістонів на синтез іРНК.
9. У процесі розвитку та диференціювання органів активність генів залежить від гормонів, що циркулюють в організмі та викликають специфічні реакції у певних клітинах. У ссавців важливе значення має вплив статевих гормонів.
10. У еукаріотів на кожному етапі онтогенезу експресовано 5-10% генів, інші мають бути заблоковані.

6) репарація генетичного матеріалу

Репарація генетична- процес усунення генетичних ушкоджень та відновлення спадкового апарату, що протікає у клітинах живих організмів під дією спеціальних ферментів. Здатність клітин до репарації генетичних ушкоджень уперше виявлено 1949 року американським генетиком А.Кельнером. Репарація- особлива функція клітин, що полягає у здатності виправляти хімічні пошкодження та розриви в молекулах ДНК, пошкодженої при нормальному біосинтезі ДНК у клітині або внаслідок дії фізичних чи хімічних агентів. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини. Ряд спадкових хвороб (напр., пігментна ксеродерма) пов'язані з порушеннями систем репарації.

види репарацій:

Пряма репарація - найпростіший шлях усунення пошкоджень у ДНК, у якому зазвичай задіяні специфічні ферменти, здатні швидко (як правило, в одну стадію) усувати відповідне пошкодження, відновлюючи вихідну структуру нуклеотидів. Так діє, наприклад, O6-метилгуанін-ДНК-метилтрансфераза, яка знімає метильну групу з азотистої основи на один із власних залишків цистеїну.