Основні властивості генетичного коду та його значення.

Генетичний код різних організмів має деякі спільні властивості:
1) Триплетність. Для запису будь-якої, зокрема і спадкової інформації використовується певний шифр, елементом якого є буква, чи символ. Сукупність таких символів становить абетку. Окремі повідомлення записуються комбінацією символів, які називаються кодовими групами або кодонами. Відомий алфавіт, що складається всього з двох символів, - це абетка Морзе. У ДНК 4 літери – перші літери назв азотистих основ (А, Г, Т, Ц), отже, генетичний алфавіт складається лише з 4 символів. Що ж є кодовою групою, чи словом генетичного коду? Відомо 20 основних амінокислот, зміст яких має бути записаний генетичним кодом, тобто 4 літери повинні дати 20 кодових слів. Допустимо, слово складається з одного символу, тоді ми отримаємо лише 4 кодові групи. Якщо слово складається з двох символів, то таких груп буде лише 16, а цього явно мало, щоб закодувати 20 амінокислот. Отже, в кодовому слові має бути щонайменше 3 нуклеотиди, що дасть 64 (43) поєднання. Такої кількості триплетних поєднань цілком достатньо кодування всіх амінокислот. Таким чином, кодон генетичного коду – це триплет нуклеотидів.
2) Виродженість (надмірність) – властивість генетичного коду що складається з одного боку, у цьому, що він містить надлишкові триплети, т. е. синоніми, з другого – «безглузді» триплети. Оскільки код включає 64 поєднання, а кодуються лише 20 амінокислот, то деякі амінокислоти кодуються кількома триплетами (аргінін, серин, лейцин – шістьма; валін, пролін, аланін, гліцин, треонін – чотирма; ізолейцин – трьома; фенілаланін, фенілаланін, , аспарагін, глутамін, цистеїн, аспарагінова та глутамінова кислоти – двома; метіонін та триптофан – одним триплетом). Деякі кодові групи (УАА, УАГ, УГА) взагалі не несуть смислового навантаження, тобто є «безглуздими» триплетами. «Безглузді», або nonsense, кодони виконують функцію термінаторів ланцюгів – розділових знаків у генетичному тексті – служать сигналом закінчення синтезу білкового ланцюга. Така надмірність коду має значення для підвищення надійності передачі генетичної інформації.
3) Неперекриваність. Кодові триплети ніколи не перекриваються, тобто завжди транслюються разом. При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотистої основи одного триплету в комбінації з основами іншого триплету.
4) Однозначність. Немає випадків, коли той самий триплет відповідав би більш ніж одній кислоті.
5) Відсутність розділових знаків усередині гена. Генетичний код зчитується з певного місця без ком.
6) Універсальність. У різних видів живих організмів (вірусів, бактерій, рослин, грибів і тварин) однакові триплети кодують ті самі амінокислоти.
7) Видова специфічність. Кількість і послідовність азотистих основ у ланцюзі ДНК у різних організмів різні.

Генетичний код - це спосіб кодування послідовності амінокислот у молекулі білка за допомогою послідовності нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. Властивості генетичного коду випливають із особливостей цього кодування.

Кожній амінокислоті білка зіставляється у відповідність три підряд нуклеотиду нуклеїнової кислоти, що йдуть. триплет, або кодон. Кожен із нуклеотидів може містити одну з чотирьох азотистих основ. У РНК це аденін(A), урацил(U), гуанін(G), цитозин(C). По-різному комбінуючи азотисті основи (в даному випадку містять нуклеотиди) можна отримати безліч різних триплетів: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC і т. д. Загальна кількість можливих комбінацій - 64, тобто 4 3 .

До складу білків живих організмів входить близько 20 амінокислот. Якби природа «задумала» кодувати кожну амінокислоту не трьома, а двома нуклеотидами, то розмаїття таких пар не вистачило б, оскільки їх виявилося лише 16, тобто. 4 2 .

Таким чином, основна властивість генетичного коду - його триплетність. Кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів.

Оскільки можливих різних триплетів істотно більше, ніж амінокислот, що використовуються в біологічних молекулах, то в живій природі було реалізовано таку властивість як надмірністьгенетичного коду. Багато амінокислот стали кодуватися не одним кодоном, а кількома. Наприклад, амінокислота гліцин кодується чотирма різними кодонами: GGU, GGC, GGA, GGG. Надмірність також називають виродженістю.

Відповідність між амінокислотами та кодонами відображають у вигляді таблиць. Наприклад, таких:

По відношенню до нуклеотидів генетичний код має таку властивість як однозначність(або специфічність): кожен кодон відповідає лише одній амінокислоті. Наприклад, кодоном GGU можна закодувати тільки гліцин і більше жодної іншої амінокислоти.

Ще раз. Надмірність - це про те, що кілька триплетів можуть кодувати ту саму амінокислоту. Специфіка - кожен конкретний кодон може кодувати лише одну амінокислоту.

У генетичному коді немає спеціальних розділових знаків (якщо не вважати стоп-кодонів, що позначають закінчення синтезу поліпептиду). Функцію розділових знаків виконують самі триплети - закінчення одного означає, що слідом почнеться інший. Звідси випливають такі дві властивості генетичного коду: безперервністьі неперекриваність. Під безперервність розуміють зчитування триплетів одразу один за одним. Під неперекривальністю - те, що кожен нуклеотид може входити до складу лише триплету. Так перший нуклеотид наступного триплету завжди стоїть після третього нуклеотиду попереднього триплету. Кодон не може розпочатися з другого чи третього нуклеотиду попереднього кодону. Іншими словами, код не перекривається.

Генетичний код має властивість універсальності. Він єдиний всім організмів Землі, що говорить про єдність походження життя. У цьому трапляються дуже рідкісні винятки. Наприклад, деякі триплети мітохондрій та хлоропластів кодують інші, а не звичайні для них амінокислоти. Це може говорити про те, що на зорі розвитку життя існували трохи різні варіації генетичного коду.

Нарешті, генетичний код має завадостійкістюяка є наслідком такої його властивості як надмірність. Точкові мутації, що іноді відбуваються в ДНК, зазвичай призводять до заміни однієї азотистої основи на іншу. При цьому змінюється триплет. Наприклад, було AAA, після мутації стало AAG. Однак подібні зміни не завжди призводять до зміни амінокислоти в поліпептиді, що синтезується, так як обидва триплети через властивості надмірності генетичного коду можуть відповідати одній амінокислоті. Враховуючи, що мутації найчастіше шкідливі, властивість завадостійкості корисна.

Генетичний код, його основні властивості

У ході реакцій матричного синтезу на підставі генетичного коду синтезується поліпептид із спадково обумовленою структурою. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру певного поліпептиду, прийнято називати ген.

При цьому, ген - Це не просто ділянка ДНК, а одиниця спадкової інформації, носієм якої є нуклеїнові кислоти. Встановлено, що ген має складну структуру.

У більшості випадків кодуючі ділянки (екзони) розділені некодуючими (інтронами). У той же час, завдяки альтернативному сплайсингу, ділення ділянки ДНК на кодуючі та некодуючі виявляється умовним. Деякі ділянки ДНК можуть переміщатися щодо один одного – їх називають мобільними генетичними елементами (МГЕ). Багато генів представлені кількома копіями – тоді той самий білок кодується різними ділянками ДНК. Ще складніше закодовано генетичну інформацію у вірусів. У багатьох з них виявлені гени, що перекриваються: одна і та ж ділянка ДНК може транскрибуватися з різних стартових точок.

Процес експресії генів має гнучкість: одній ділянці ДНК може відповідати кілька поліпептидів; один поліпептид може кодуватись різними ділянками ДНК. Остаточна модифікація білків відбувається за допомогою ферментів, що кодуються різними ділянками ДНК.

Відображення одних об'єктів за допомогою інших називається кодуванням. Відображення структури білків як триплетів ДНК прийнято називати кодом ДНК, чи генетичним кодом. Завдяки генетичному коду встановлюється однозначна відповідність між нуклеотидними послідовностями нуклеїнових кислот та амінокислотами, що входять до складу білків. Генетичний код має такі основні властивості:

1. Генетичний код триплетен: кожна амінокислота кодується триплетом нуклеотидів ДНК та відповідним триплетом іРНК. При цьому кодони нічим не відокремлені один від одного (відсутні «коми»).

2. Генетичний код є надлишковим (виродженим): майже всі амінокислоти можуть кодуватися різними кодонами. Тільки двом амінокислот відповідає по одному кодону: метіоніну (АУГ) і триптофану (УГГ). Зате лейцину, серину та аргініну відповідає по 6 різних кодонів.

3. Генетичний код є таким, що не перекривається: кожна пара нуклеотидів належить тільки одному кодону (винятки виявлені у вірусів).

4. Генетичний код єдиний для переважної більшості біологічних систем. При цьому є й винятки, наприклад, у інфузорій та в мітохондріях різних організмів. З цієї причини генетичний код називають квазіуніверсальним.

Генетичний код, який ще називають амінокислотним кодом, - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білку за допомогою послідовності розташування нуклеотидних залишків у ДНК, які містять одну з 4-х азотистих основ: аденін (А), гуанін (G), цитозин (C) та тимін (Т). Однак, оскільки двонитчаста спіраль ДНК не бере безпосередньої участі в синтезі білка, що кодується однією з цих ниток (тобто РНК), то код записується мовою РНК, в якій замість тиміну входить урацил (U). З цієї причини прийнято говорити, що код - це послідовність нуклеотидів, а чи не пар нуклеотидів.

Генетичний код представлений певними кодовими словами - кодонами.

Перше кодове слово було розшифровано Ніренбергом і Маттеї в 1961 р. Вони отримали екстракт з кишкової палички, що містить рибосоми та інші фактори, необхідні для синтезу білка. Вийшла безклітинна система для синтезу білка, яка могла б здійснювати збирання білка з амінокислот, якщо в середу додати необхідну мРНК. Додавши в середу синтетичну РНК, що складається тільки з урацилів, вони виявили, що утворився білок, який складається тільки з фенілаланіну (поліфенілаланін). Так було встановлено, що триплет нуклеотидів УУУ (кодон) відповідає фенілаланіну. Протягом наступних 5-6 років було визначено всі кодони генетичного коду.

Генетичний код - своєрідний словник, що перекладає текст, записаний за допомогою чотирьох нуклеотидів, білковий текст, записаний за допомогою 20 амінокислот. Інші амінокислоти, що зустрічаються в білку, є модифікаціями однієї з 20 амінокислот.

Властивості генетичного коду

Генетичний код має такі характеристики.

1. Триплетність- кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів. Легко підрахувати, що існують 4 3 = 64 кодони. З них 61 є значеннєвим і 3 - безглуздими (термінуючими, stop-кодонами).
2. Безперервність(немає розділових знаків між нуклеотидами) - 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 безперервність (компактність) [показати]

   

   Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду.

   Одиночна мутація ("+" або "-") на початку гена або подвійна мутація ("+" або "-") – псує весь ген.

   Потрійна мутація ("+" або "-") на початку гена псує лише частину гена.

   Четверна "+" або "-" мутація знову псує весь ген.

   Експеримент був проведений на двох розташованих фагових генах і показав, що

   1. код триплетен і всередині гена немає розділових знаків
   2. між генами є розділові знаки
3. Наявність міжгенних розділових знаків- Наявність серед триплетів ініціюючих кодонів (з них починається біосинтез білка), кодонів - термінаторів (позначають кінець біосинтезу білка);

   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).

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

4. Колінеарність- відповідність лінійної послідовності кодонів мРНК та амінокислот у білку.
5. Специфіка- кожній амінокислоті відповідають лише певні кодони, які не можуть використовуватись для іншої амінокислоти.
6. Односпрямованість- кодони зчитуються в одному напрямку - від першого нуклеотиду до наступних
7. Виродженість, чи надмірність,- одну амінокислоту може кодувати кілька триплетів (амінокислот – 20, можливих триплетів – 64, 61 їх смислової, т. е. у середньому кожної амінокислоті відповідає близько 3 кодонів); виняток становить метіонін (Met) і триптофан (Trp).

   Причина виродженості коду полягає в тому, що головне смислове навантаження несуть два перші нуклеотиди в триплеті, а третій не такий важливий. Звідси правило виродженості коду : якщо два кодони мають два однакові перші нуклеотиди, а їх треті нуклеотиди належать до одного класу (пуринового або піримідинового), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту.

   Однак із цього ідеального правила є два винятки. Це кодон АUA, який повинен відповідати не ізолейцину, а метіоніну і кодон UGA, який є термінуючим, тоді як повинен відповідати триптофана. Виродженість коду має, мабуть, пристосувальне значення.

8. Універсальність- всі перелічені вище властивості генетичного коду характерні всім живих організмів.

   Кодон	Універсальний код	Мітохондріальні коди
   		Хребетні	Безхребетні	Дріжджі	Рослини
   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

   Останнім часом принцип універсальності коду похитнувся у зв'язку з відкриттям Береллом в 1979 р. ідеального коду мітохондрій людини, в якому виконується правило виродженості коду. У коді мітохондрій кодон UGA відповідає триптофану, а AUA - метіоніну, як цього вимагає правило виродженості коду.

   Можливо, на початку еволюції у всіх найпростіших організмів був такий самий код, як і у мітохондрій, а потім він зазнав невеликих відхилень.

9. Неперекриваність- кожен із триплетів генетичного тексту незалежний один від одного, один нуклеотид входить до складу лише одного триплету; На рис. показана різниця між кодом, що перекривається і неперекривається.

   У 1976р. була секвенована ДНК фага Х174. У нього одноланцюжкова кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них було визначено гени, що розташовуються один за одним.

   З'ясувалося, що є перекривання. Ген Е повністю знаходиться всередині гена D. Його кодон, що ініціює, з'являється в результаті зсуву зчитування на один нуклеотид. Ген J починається там, де закінчується ген D. Ініціюючий кодон гена J перекривається з термінуючим кодоном гена D в результаті зсуву на два нуклеотиди. Конструкція називається "зсув рамки зчитування" на число нуклеотидів, неразове трьом. На сьогоднішній день перекривання показане лише для кількох фагів.

10. Перешкодостійкість- Відношення числа консервативних замін до радикальних замін.

    Мутації замін нуклеотидів, що не призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають консервативними. Мутації замін нуклеотидів, що призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають радикальними.

    Так як одна і та ж амінокислота може кодуватися різними триплетами, деякі заміни в триплетах не призводять до заміни кодованої амінокислоти (наприклад UUU -> UUC залишає фенілаланін). Деякі заміни змінюють амінокислоту на іншу з того ж класу (неполярний, полярний, основний, кислотний), інші заміни змінюють і клас амінокислоти.

    У кожному триплеті можна здійснити 9 одноразових замін, тобто. вибрати, яку з позицій змінюємо - можна трьома способами (1-а або 2-а або 3-я), причому обрану літеру (нуклеотид) можна поміняти на 4-1 = 3 інші літери (нуклеотид). Загальна кількість можливих замін нуклеотидів – 61 по 9 = 549.

    Прямим підрахунком таблиці генетичного коду можна переконатися, що з них: 23 заміни нуклеотидів призводять до появи кодонів - термінаторів трансляції. 134 заміни не змінюють амінокислоту, що кодується. 230 замін не змінюють клас амінокислоти, що кодується. 162 заміни призводять до зміни класу амінокислоти, тобто. є радикальними. Зі 183 замін 3-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів трансляції, а 176 - консервативні. Зі 183 замін першого нуклеотиду, 9 призводять до появи термінаторів, 114 - консервативні і 60 - радикальні. Зі 183 замін 2-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів, 74 – консервативні, 102 – радикальні.

1. Генетичний код триплетен. 3 розташованих поруч нуклеотиду несуть інформацію про одну амінокислоту. Таких триплетів може бути 64 (у цьому проявляється надмірність генетичного коду), але тільки 61 їх несе інформацію про білку (кодони). Три триплети називаються антикодонами, є стоп-сигналами, на яких зупиняється синтез білка.

2. Генетичний код вироджений (амінокислот 20 а кодонів 61), тобто. одну амінокислоту можуть кодувати кілька кодонів (від двох до шести). Метіонін та триптофан мають по одному кодону, т.к. із них починається синтез білка (старт-сигнал).

3. Код однозначний – несе інформацію лише про одну амінокислоту.

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

5. Генетичний код неперекривається і компактний - той самий нуклеотид не може входити до складу двох різних кодонів, зчитування йде безперервно, поспіль, аж до стоп-кодону. У коді відсутні «знаки пунктуації».

6. Генетичний код універсальний – однаковий всім живих істот, тобто. один і той же триплет кодує ту саму амінокислоту. 66. Що таке зворотна транскрипція? Як цей процес пов'язані з розвитком вірусів?

ЗВОРОТНА ТРАНСКРИПЦІЯ – це метод отримання копії РНК у вигляді двониткової ДНК із вірусу. Методика часто використовується у ГЕННОЇ ІНЖЕНЕРІЇ для отримання копій ІНФОРМАЦІЙНОЇ РНК у вигляді ДНК. Досягається шляхом використання ФЕРМЕНТУ ревертазу, що зустрічається у РЕТРОВІРУСАХ.

Віруси, що використовують зворотну транскрипцію, містять одноланцюгову РНК або дволанцюжкову ДНК. РНК-віруси, здатні до зворотної транскрипції (ретровіруси, наприклад, ВІЛ), використовують ДНК-копію геному як проміжну молекулу при реплікації РНК, а містять ДНК (параретровіруси, наприклад, вірус гепатиту B) - РНК. В обох випадках використовується зворотна транскриптаза або РНК-залежна-ДНК-полімераза.

Ретровіруси вбудовують ДНК, що утворюється в процесі зворотної транскрипції, геном господаря, такий стан вірусу називається провірусом. Віруси, що використовують зворотну транскрипцію, сприйнятливі до противівірусних препаратів.

67. Опишіть будову генів еукаріотів. Чим гени еукаріотів відрізняються від прокаріотів?

Ген - ділянка ДНК, з якої копіюється РНК.

Будова генів у еукаріотів: загальноприйнята модель будови гена – екзон – інтронна структура.

Екзон – послідовність ДНК, яка представлена ​​у зрілій РНК. До складу гена повинен входити щонайменше один екзон. У середньому в гені міститься 8 екзонів. Фактори ініціації та термінації транскрипції входять до складу першого та останнього екзону відповідно.

Інтрон – послідовність ДНК, включена між екзонами, не входить до складу зрілої РНК. Інтрони мають певні нуклеотидні послідовності, що визначають їх межі з екзонами: на 5 кінці – GU, на 3 – AG. Можуть кодувати регуляторні РНК.

Сигнал поліаденілювання 5 - AATAAA -3 входить до складу останнього екзону. Полі сайти захищають мРНК від деградації.

5 і 3 фланкуючі послідовності - копіювання гена відбувається в напрямку 5 - 3, на флангах знаходяться специфічні сайти, що обмежують ген і містять регуляторні елементи транскрипції.

Регуляторні елементи – промотор, енхансери, сайленсери, інсулятори (сприяють утворенню хромосом петель, що обмежують вплив сусідніх регуляторних елементів).

Гени еукаріотів за будовою та характером транскрипції значно відрізняються від прокаріотичних генів. Їхньою відмінною особливістю є перервність, тобто чергування в них послідовностей нуклеотидів, які представлені (екзони) або не представлені (інтрони) у мРНК. Гени еукаріотів не групуються в оперони, тому кожен з них має власні промотор та термінатор транскрипції.

Схожа інформація:

1. A. Animal and Vegetable Kingdom 6 сторінка. Якщо навіть елементарні частки - основа матеріального світу - виявляють такі суперечливі властивості