Поняття про ген, генетичний код. Генетичний код: опис, характеристики, історія дослідження

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.

Вишиковуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних букв.

Генетичний код

Білки практично всіх живих організмів побудовані з амінокислот лише 20 видів. Ці амінокислоти називають канонічними. Кожен білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот, з'єднаних у строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, отже всі його біологічні властивості.

CUU (Leu/L) Лейцин
CUC (Leu/L) Лейцин
CUA (Leu/L) Лейцин
CUG (Leu/L) Лейцин

У деяких білках нестандартні амінокислоти, такі як селеноцистеїн і піролізин, вставляються рибосомою, що прочитує стоп-кодон, що залежить від послідовностей мРНК. Селеноцистеїн зараз розглядається як 21-й, а піролізин 22-й амінокислот, що входять до складу білків.

Незважаючи на ці винятки, у всіх живих організмів генетичний код має спільні риси: кодон складаються з трьох нуклеотидів, де два перші є визначальними, кодони транслюються тРНК та рибосомами у послідовність амінокислот.

Історія уявлень про генетичний код

Проте на початку 60-х років XX століття нові дані виявили неспроможність гіпотези «коду без ком». Тоді експерименти показали, що кодони, які вважалися Криком безглуздими, можуть провокувати білковий синтез у пробірці, і до 1965 було встановлено значення всіх 64 триплетів. Виявилося, що деякі кодони просто надмірні, тобто цілий ряд амінокислот кодується двома, чотирма або навіть шістьма триплетами.

Див. також

Примітки

1. Genetic code supports targeted insertion of 2 amino acids by one codon. Туранов А.А., Лобанов А.В., Фоменко Д., Моррісон Х.Г., Согін М.Л., Клобутчер Л.А. Science. 2009 Jan 9; 323 (5911): 259-61.
2. Кодон AUG кодує метіонін, але одночасно служить стартовим кодоном - з першого AUG-кодону мРНК зазвичай починається трансляція.
3. NCBI: "The Genetic Codes", Compiled by Andrzej (Anjay) Elzanowski and Jim Ostell
4. Jukes TH, Osawa S, Генетичний код в мітохондрія і chloroplasts., Experientia. 1990 Dec 1; 46 (11-12): 1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (March 1992). «Recent evidence for evolution of the genetic code». Microbiol. Rev. 56 (1): 229-64. PMID 1579111 .
6. SANGER F. (1952). «The arrangement of amino acids in proteins.». Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251 .
7. М. ІчасБіологічний код – Світ, 1971.
8. WATSON JD, CRICK FH. (April 1953). «Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.». Nature 171 : 737-738. PMID 13054692 .
9. WATSON JD, CRICK FH. (Май 1953). «Генетичні наслідки структури деоксірибонуклеїчного acid.». Nature 171 : 964-967. PMID 13063483 .
10. Crick FH. (April 1966). «The genetic code - yesterday, today, and tomorrow.». Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190 .
11. G. GAMOW (February 1954). «Possible Relation between Deoxyribonucleic Acid and Protein Structures.». Nature 173 : 318. DOI :10.1038/173318a0. PMID 13882203 .
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). «Проблема інформаційного transfer від нуклеїчних дій до proteínів.». Adv Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508 .
13. Gamow G, Ycas M. (1955). «STATISTICAL CORRELATION OF PROTEIN AND RIBONUCLEIC ACID COMPOSITION. ». Proc Natl Acad Sci UA. 41 : 1011-1019. PMID 16589789 .
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). CODES WITHOUT COMMAS. ». Proc Natl Acad Sci UA. 43 : 416-421. PMID 16590032 .
15. Hayes B. (1998). "The Invention of the Genetic Code." (PDF reprint). American Scientist 86 : 8-14.

Література

• Азімов А. Генетичний код. Від теорії еволюції до розшифрування ДНК. – М.: Центрполіграф, 2006. – 208 с – ISBN 5-9524-2230-6.
• Ратнер В. А. Генетичний код як система - Соросівський освітній журнал, 2000, 6 № 3, с.17-22.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. General natural of the genetic code for proteins - Nature, 1961 (192), pp. 1227-32

Посилання

• Генетичний код- стаття з Великої радянської енциклопедії

Wikimedia Foundation. 2010 .

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД, система запису спадкової інформації у вигляді послідовності основ нуклеотидів у молекулах ДНК (у деяких вірусів – РНК), що визначає первинну структуру (розташування амінокислотних залишків) у молекулах білків (поліпептидів). Проблема генетичного коду була сформульована після доказу генетичної ролі ДНК (американські мікробіологи О. Ейвері, К. Мак-Леод, М. Маккарті, 1944) та розшифровки її структури (Дж. Вотсон, Ф. Крик, 1953), після встановлення того, що гени визначають структуру та функції ферментів (принцип «один ген - один фермент» Дж. Бідла та Е. Тейтема, 1941) і що існує залежність просторової структури та активності білка від його первинної структури (Ф. Сенгер, 1955). Питання про те, як комбінації з 4 основ нуклеїнових кислот визначають чергування 20 звичайних амінокислотних залишків у поліпептидах, вперше поставив Г. Гамов у 1954 році.

На підставі експерименту, в якому досліджували взаємодії вставок і випадень пари нуклеотидів, в одному з генів бактеріофага Т4 Ф. Крик та інші вчені в 1961 році визначили загальні властивості генетичного коду: триплетність, тобто кожному амінокислотному залишку в поліпептидному ланцюзі трьох підстав (триплет, або кодон) у ДНК гена; зчитування кодонів у межах гена йде з фіксованої точки, в одному напрямку і «без ком», тобто кодони не відокремлені будь-якими знаками один від одного; виродженість, або надмірність, - той самий амінокислотний залишок можуть кодувати кілька кодонів (кодони-синоніми). Автори припустили, що кодони не перекриваються (кожна основа належить лише одному кодону). Пряме вивчення кодуючої здатності триплетів було продовжено з використанням безклітинної системи синтезу білка під контролем синтетичної матричної РНК (мРНК). До 1965 генетичний код був повністю розшифрований в роботах С. Очоа, М. Ніренберга і Х. Г. Корани. Розкриття таємниці генетичного коду стало одним із видатних досягнень біології в 20 столітті.

Реалізація генетичного коду в клітині відбувається в ході двох матричних процесів – транскрипції та трансляції. Посередником між геном та білком є ​​мРНК, що утворюється в процесі транскрипції на одній із ниток ДНК. При цьому послідовність основ ДНК, яка несе інформацію про первинну структуру білка, «переписується» у вигляді послідовності основ мРНК. Потім у ході трансляції на рибосомах послідовність нуклеотидів мРНК зчитується транспортними РНК (ТРНК). Останні мають акцепторний кінець, до якого приєднується амінокислотний залишок, і адаптерний кінець або антикодон-триплет, який дізнається відповідний кодон мРНК. Взаємодія кодону та анти-кодону відбувається на підставі комплементарного спарювання основ: Аденін (А) – Урацил (U), Гуанін (G) – Цитозин (С); при цьому послідовність основ мРНК переводиться в амінокислотну послідовність білка, що синтезується. Різні організми використовують для однієї і тієї ж амінокислоти різні кодони-синоніми з різною частотою. Зчитування мРНК, що кодує поліпептидний ланцюг, починається (ініціюється) з кодону AUG, що відповідає амінокислоті метіоніну. Рідше у прокаріотів ініціюючими кодонами служать GUG (валін), UUG (лейцин), AUU (ізолейцин), у еукаріотів - UUG (лейцин), AUA (ізолейцин), ACG (треонін), CUG (лейцин). Це задає так звану рамку або фазу зчитування при трансляції, тобто далі всю нуклеотидну послідовність мРНК зчитують триплет за триплетом тРНК до тих пір, поки на мРНК не зустрінеться будь-який з трьох кодонів-термінаторів, часто званих стоп-кодонами: UAA, UAG , UGA (таблиця). Зчитування цих триплетів призводить до завершення синтезу поліпептидного ланцюга.

Кодони AUG і стоп-кодони стоять відповідно на початку та в кінці ділянок мРНК, що кодують поліпептиди.

Генетичний код квазіуніверсальний. Це означає, що існують невеликі варіації у значенні деяких кодонів у різних об'єктів, і це стосується насамперед кодонів-термінаторів, які можуть бути значними; наприклад, в мітохондріях деяких еукаріотів і у мікоплазм UGA кодує триптофан. Крім того, у деяких мРНК бактерій та еукаріотів UGA кодує незвичайну амінокислоту - селеноцистеїн, а UAG в однієї з архебактерій - піролізин.

Існує точка зору, згідно з якою генетичний код виник випадково (гіпотеза «замороженого випадку»). Імовірніше, що він еволюціонував. На користь такого припущення говорить існування більш простого і, мабуть, більш давнього варіанта коду, який зчитується в мітохондріях згідно з правилом «два з трьох», коли амінокислоту визначають лише дві з трьох основ у триплеті.

Літ.: Crick F. Н. а. о. General natural of the genetic code for proteins // Nature. 1961. Vol. 192; The genetic code. N. Y., 1966; Ічас М. Біологічний код. М., 1971; Як читається генетичний код: правила та винятки // Сучасне природознавство. М., 2000. Т. 8; Ратнер В. А. Генетичний код як система // Соросівський освітній журнал. 2000. Т. 6. №3.

С. Г. Інге-Вечтом.

ГЕНЕТИЧНИЙ КІДспосіб запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот у вигляді послідовності утворюють ці кислоти нуклеотидів. Певній послідовності нуклеотидів у ДНК та РНК відповідає певна послідовність амінокислот у поліпептидних ланцюгах білків. Код прийнято записувати за допомогою великих літер російської або латинського алфавіту. Кожен нуклеотид позначається літерою, з якої починається назва входить до складу молекули азотистої основи: А (А) - аденін, Г (G) - гуанін, Ц (С) - цитозин, Т (Т) - тимін; в РНК замість тиміну урацил - У(U). Кожну кодує комбінація із трьох нуклеотидів – триплет, або кодон. Коротко шлях перенесення генетичної інформації узагальнено т. зв. центральна догма молекулярної біології: ДНК `РНК f білок.

В окремих випадках інформація може переноситися від РНК до ДНК, але ніколи не переноситься від білка до генів.

Реалізація генетичної інформації здійснюється у два етапи. У клітинному ядрі на ДНК синтезується інформаційна або матрична РНК (транскрипція). При цьому нуклеотидна послідовність ДНК переписується (перекодується) в нуклеотидну послідовність мРНК. Потім мРНК перетворюється на цитоплазму, прикріплюється до рибосомі, і у ній, як у матриці, синтезується полипептидная ланцюг білка (трансляція). Амінокислоти за допомогою транспортної РНК приєднуються до ланцюга, що будується в послідовності, що визначається порядком нуклеотидів в мРНК.

З чотирьох «літер» можна скласти 64 різних трилітерних «слова» (кодону). З 64 кодонів 61 кодує певні амінокислоти, а три відповідають за закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. Так як на 20 амінокислот, що входять до складу білків, припадає 61 кодон, деякі амінокислоти кодуються більш ніж одним кодоном (т.зв. виродженість коду). Така надмірність підвищує надійність коду та всього механізму біосинтезу білка. Інша властивість коду – його специфічність (однозначність): один кодон кодує лише одну амінокислоту.

Крім того, код не перекривається - інформація зчитується в одному напрямку послідовно, триплет за триплетом. Найбільш дивовижна властивість коду – його універсальність: він однаковий у всіх живих істот – від бактерій до людини (виняток становить генетичний код мітохондрій). Вчені бачать у цьому доказ концепції про походження всіх організмів від одного загального предка.

Розшифрування генетичного коду, тобто визначення «сенсу» кожного кодону та тих правил, за якими зчитується інформація, здійснено у 1961–1965 рр. і вважається одним із найбільш яскравих досягнень молекулярної біології.

лекція 5. Генетичний код

Визначення поняття

Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках за допомогою послідовності розташування нуклеотидів у ДНК.

Оскільки ДНК безпосередньої участі у синтезі білка не приймає, код записується мовою РНК. У РНК замість тиміну входить урацил.

Властивості генетичного коду

1. Триплетність

Кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів.

Визначення: триплет або кодон - послідовність трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.

Код може бути моноплетним, оскільки 4 (кількість різних нуклеотидів в ДНК) менше 20. Код може бути дуплетним, т.к. 16 (кількість поєднань і перестановок з 4-х нуклеотидів по 2) менше 20. Код може бути триплетним, т.к. 64 (число поєднань та перестановок з 4-х по 3) більше 20.

2. Виродженість.

Усі амінокислоти, за винятком метіоніну та триптофану, кодуються більш ніж одним триплетом:

2 АК по 1 триплету = 2.

9 АК по 2 триплети = 18.

1 АК 3 триплет = 3.

5 АК по 4 триплети = 20.

3 АК по 6 триплетів = 18.

Усього 61 триплет кодує 20 амінокислот.

3. Наявність міжгенних розділових знаків.

Визначення:

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

ГениtPHK, rPHK, sPHKбілки не кодують.

В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х триплетів, що кодують термінуючі кодони РНК, або стоп-сигнали. У мРНК вони мають такий вигляд: UAA, UAG, UGA . Вони термінують (закінчують) трансляцію.

Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - Перший після лідерної послідовності. (Див. лекцію 8) Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріотів).

4. Однозначність.

Кожен триплет кодує лише одну амінокислоту чи є термінатором трансляції.

Виняток становить кодон AUG . У прокаріотів у першій позиції (заголовна літера) він кодує формилметіонін, а в будь-якій іншій - метіонін.

5. Компактність, або відсутність внутрішньогенних розділових знаків.
Усередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону.

У 1961 р. Сеймур Бензер і Френсіс Крик експериментально довели триплетність коду та його компактність.

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

6. Універсальність.

Генетичний код єдиний всім живих Землі істот.

У 1979 р. Беррел відкрив ідеальнийкод мітохондрій людини.

Визначення:

«Ідеальним» називається генетичний код, в якому виконується правило виродженості квазідублетного коду: Якщо у двох триплетах збігаються перші два нуклеотиди, а треті нуклеотиди відносяться до одного класу (обидва - пурини або обидва - піримідини), то ці триплети кодують одну і ту ж амінокислоту .

З цього правила в універсальному коді є два винятки. Обидва відхилення від ідеального коду в універсальному стосуються важливих моментів: початку та кінця синтезу білка: