Никитин А.В.
Проблемы понимания системы кодирования ДНК
Да, надо признать, что я оказался неправ. Волнует биологов кодирование информации ДНК. Даже очень. И технократический подход к этой проблеме есть. Может быть не совсем такой, как хотелось мне, но … есть заинтересованность в нахождении истины. И это главное.
Петр Петрович Гаряев прислал мне свою последнюю монографию для изучения и понимания, за что ему отдельная благодарность.
Но, вместе с новой информацией возникли и новые вопросы. О некоторых из них я и попробую рассказать в этой статье.
Два пишем, один - в уме…
Нечеткое следование триплетам при трансляции белка мы уже отмечали . Тот же вопрос исследует и П.П.Гаряев. Вот фиксируется видимое противоречие:
«Точность кодирования последовательностей аминокислот белков в этой модели странным образом уживается с двойной вырожденностью предлагаемого “кода” по линиям избытка транспортных РНК (тРНК) по сравнению с числом аминокислот и неоднозначного соответствия кодон-антикодон, когда только двум (а не трем) нуклеотидам триплетов иРНК необходимо точное спаривание c антикодоновой парой нуклеотидов тРНК, а по третьему нуклеотиду природой допускается неверное спаривание, так называемое “воблирование” (от англ. слова “wobble”- качание) по гипотезе Ф.Крика . Это означает, что некоторые антикодоны могут “узнавать” более одного кодона в зависимости от того, какое основание находится в 1-м положении антикодона, соответствующем 3-му положению нуклеотида с учетом их антипараллельного комплементарного взаимодействия. “Узнавание” такого рода “неправильное”, если следовать парадигме генетического кода, поскольку возникают неканонические пары оснований “Аденин-Гуанин”, “Урацил-Цитозин” и другие с энергетически невыгодными водородными связями. “Код”, особенно митохондриальный, становится настолько вырожденным, и логически следующий отсюда произвол включения аминокислот в пептидную цепь столь велик, что как бы исчезает само понятие генетического кодирования».
Вопрос поставлен:
«Точность белкового синтеза эволюционно консервативна и высока, но может ли она достигаться такого рода “тайнописью”, когда “знак” (кодон) и “обозначаемое” (аминокислота) не всегда изоморфны, не однозначны? Если придерживаться старой догмы генетического кода, логично думать, что две разные аминокислоты, шифруемые двумя одинаковыми (третий не важен) нуклеотидами кодонов иРНК, будут с равной вероятностью включаться в пептидную цепь, т.е. случайно. И таких парных неоднозначностей даже в немитохондриальном коде насчитывается шесть, если не считать еще две по стоповым кодонам (они же “нонсенс” или бессмысленные). Так что же, существует “индульгенция разрешения” частых и случайных замен аминокислот при синтезе белков? Однако, известно, что такие случайные замены в большинстве случаев имеют самые отрицательные последствия для организма (серповидная анемия, талассемии и т.д.). Налицо явное противоречие: нужна точность (однозначность) отношений “знак-обозначаемое” (кодон-аминокислота), а придуманный людьми код ее не обеспечивает».
Объяснения сути противоречий и предложенного варианта решения:
«Видно, что пары разных аминокислот шифруются одинаковыми значимыми дублетами кодоновых нуклеотидов (“воблирующие” мало значимые, по Крику , и вообще нечитаемые, по Лагерквисту , нуклеотиды смещены в индекс). В терминах лингвистики это явление носит название омонимия, когда одни и те же слова имеют разный смысл (например, русские слова “лук”, “коса” или английские “box”, “ring” и т.п.). С другой стороны, избыточные различающиеся кодоны, обозначающие одни и те же аминокислоты, уже давно рассматривают как синонимичные».
«…Для большей иллюстративности мы приводим таблицу генетического кода, представленную Лагерквистом и перегруппированную им по кодоновым семействам с ориентировкой на первые два рабочих нуклеотида:
Из Табл.1. видно, что одна и та же аминокислота может кодироваться четверками кодоновых семейств. Например, четверка CU-семейства кодирует лейцин. Четверка GU-семейства кодирует валин, UC – серин, CC – пролин, AC – триптофан, GC – аланин, CG –аргинин, GG – глицин. Это лежащий на поверхности, и сразу замеченный, факт вырожденности, т.е. информационной избыточности кода. Если взять взаймы понятия и термины лингвистики для белкового кода, что давно, повсеместно и с легкостью принято, то вырожденность кода можно понимать как синонимию. Это также единогласно принято. Иначе говоря, один и тот же объект, например, аминокислота, имеет несколько шифров - кодонов. Синонимия не таит в себе никаких опасностей для точности биосинтеза белков. Наоборот, такая избыточность хороша, поскольку повышает надежность работы трансляционной рибосомной «машины»».
Я внес небольшое цветовое разнообразие в таблицу, чтобы было видно то, о чем мы говорим. Синонимические четверки выделены желтым цветом. Всего таких четверок – 8. Омонимические четверки пришлось разделить на три категории, по степени разнообразия. Далее:
«… Однако на Табл.1 видно и другое, фундаментальное, генолингвистическое явление, как бы не замечаемое или игнорируемое. Это явление обнаруживается в том, что в некоторых кодоновых семействах четверки кодонов, точнее, их значащие одинаковые двойки нуклеотидов шифруют не одну, а две различные аминокислоты, а также стоп-кодоны. Так, дублетное UU-семейство кодирует фенилаланин и лейцин, AU – изолейцин и метионин, UA – тирозин, Och и Amb стоп-кодоны, CA – гистидин и глицин, AA – аспарагин и лизин, GA – аспарагиновую и глутаминовую, UG – цистеин, триптофан и Umb стоп-кодон, AG – серин и аргинин. Продолжая лингвистические аналогии, назовем это явление ОМОНИМИЕЙ первых двух кодирующих нуклеотидов в некоторых кодоновых семействах.
В отличие от синонимии, омонимия потенциально опасна, что и отметил Лагерквист, хотя и не ввел термин-понятие «омонимии» в применении к белковому коду. Такая ситуация, вроде бы, действительно должна вести к неоднозначности кодирования аминокислот и стоп-сигналов: один и тот же кодоновый дублет, в пределах некоторых выделенных Лагерквистом семейств, кодирует две разных аминокислоты или является «разностоповым».
Принципиально важно понять: если синонимия кода - это благо (избыток информации), то омонимия - потенциальное зло (неопределенность, неоднозначность информации). Но это мнимое зло, поскольку белок синтезирующий аппарат легко обходит эту трудность, о чем речь пойдет ниже. Если же автоматически следовать таблице (модели) генетического кода, тогда зло становится не мнимым, но реальным. И тогда очевидно, что омонимический вектор кода ведет к ошибкам в синтезе белков, поскольку рибосомный белоксинтезирующий аппарат, каждый раз встречаясь с тем или иным омонимичным дублетом и руководствуясь правилом чтения «два из трех», должен выбрать одну и только одну аминокислоту из двух различных, но кодируемых неоднозначно тождественными дублетами-омонимами.
Следовательно, связки 3’- нуклеотиды в кодонах и спаривающиеся с ними 5’- нуклеотиды в антикодонах, не имеют гено-знакового характера и играют роль «стерических костылей», заполняющих «пустые места» в кодон-антикодоновых парах. Короче говоря, 5’- нуклеотидs в антикодонах случайны, «воблируют» - от английского ‘wobble’ (качание, колебание, виляние). Вот суть Вобл-гипотезы».
Суть изложена вполне четко. Перевод не требуется. Проблема понятна.
Cтоп-кодоны и старт-кодон, они в таблице выделены жирным шрифтом, тоже работают не всегда однозначно, а в зависимости от чего-то…, как полагают биологи, от контекста.
«Продолжим анализ основополагающей работы Крика и Ниренберга, постулирующей понятие генетического кода.
С.142 -143: “ ... до сих пор все опытные данные хорошо согласовывались с общим предположением о том, что информация считывается тройками оснований, начиная с одного конца гена. Однако, мы получили бы те же результаты, если бы информация считывалась группами в четыре или даже более оснований” или “...группами, содержащими кратное трем число оснований”. Это положение почти забыто или не понято, но именно здесь видно сомнение, обязательно ли код триплетный. И не менее важно, что предугадано будущее понимание текстов ДНК и РНК как смысловых фрактальных образований, родственных естественным языкам, что продемонстрировано в наших исследованиях ».
При 4 разных основаниях системы кодов ДНК группы считывания могут быть только по 3 или по 4 основания. 4 основания при парном чтении дают только 16 возможных комбинаций. Не хватает. А вот сколько: 3 или 4 основания в группе считывания, математически установить невозможно. Потому, что так или иначе использованы будут все возможные комбинации. Или 64 при триплете, или 256 при тетраплете.
При увеличении зоны считывания кода «группами, содержащими кратное трем число оснований» количество возможных комбинаций кода будет нарастать неограниченно. Только что это нам дает? Если ориентироваться на кодирование аминокислот, то… ничего. А с дублетным подходом биологов это и вообще никак не совмещается.
Но, главное, в этой цитате впервые, хоть и неявно появилась «зона считывания» информации, не соответствующая триплету. Триплет – одно, а зона считывания – другое. И одно может не совпадать с другим. Очень важное замечание.
По сути дела, теория «качания» предлагает считать зоной считывания кодона только первые два основания. Т.е. в данном случае предлагается признать, что зона считывания меньше зоны кодирования.
Теперь рассмотрим и обратный подход: «Некоторые мРНК содержат сигналы на изменение рамки считывания. Некоторые мРНК содержат в транслируемой области терминирующие кодоны, но эти кодоны успешно обходятся за счет изменения рамки считывания перед ними или непосредственно на них. Рамка может сдвигаться на -1, +1 и + 2. Существуют специальные сигналы в мРНК, изменяющие рамку считывания. Так, сдвиг рамки трансляции на -1 на РНК ретровируса происходит на специфической гептануклеотидной последовательности перед шпилечной структурой в мРНК (рис. 5, в). Для сдвига рамки на +1 на мРНК бактериального фактора терминацинации RF-2 важны нуклеотидная последовательность на месте сдвига (кодон UGA), последующий кодон, а также предшествующая им последовательность, комплементарная к 3"-концевой последовательности рибосомной РНК (аналог последовательности Шайна-Дальгарно) (рис. 5, г)». .
Цитата уже приводилась ранее , но теперь посмотрим на её содержание более внимательно. Что понимается под термином – рамка считывания? Это понятие из седой старины вычислительной техники, когда зона считывания информации с перфоленты или перфокарты ограничивалась непрозрачной рамкой, чтобы уменьшить опасность ошибки при считывании информации световым потоком на фотоприемник через отверстия в карте или ленте, выбитые в нужных местах строки разметки. Принцип считывания давно ушел, а термин остался. Так как понятие рамки считывания понятно всем биологам, то видимо оно означает зону считывания только одного основания из триплета. И под «сдвигом рамки считывания» надо понимать, что при +1, читается основание, следующее за последним элементом триплета, а -1, что считывается основание перед первым элементом все того же триплета. Какая пара оснований при этом остается основой в считываемом триплете? Это не уточняется…
Но, похоже, не все понимают рамку считывания, как в данном случае. Если под понятием рамки считывания понимать рамку, ограничивающую 3 основания, то при сдвиге +2 от читаемого триплета остается 1 элемент, а два – из соседнего.
Так о какой рамке считывания все же идет речь? Ну, да, ладно, пусть пока остается неясность…
Но в любом случае, потом эти основания, уже считанные рамкой снова будут читаться, когда рамка вернется на место и рибосома перейдет к чтению следующего триплета…, а как же неперекрываемость кода?
В данном случае, механистический подход биологов к оценке изменения позиций считывания триплета не учитывает реальный размер того, о чем они говорят. Терминология явно вводит в заблуждение. Как они сами в этом потом разбираются – непонятно. Очевидно, что никакая «рамка» никуда не двигается…
Двигается выборка нужных позиций в зоне считывания. И если сложить максимальные приведенные в выше сдвиги «рамки» считывания с длиной читаемого кодона, то получим: 2+3+2 = 7. Таким образом, общая ширина зоны считывания рибосомы составляет уже 7 оснований. Рибосома выбирает триплет из 7 возможных оснований. Как? Это уже другой вопрос…
Но нам важнее другое. Теперь можно реально оценить, что зона считывания информации с РНК может быть больше триплета и составлять 7 и более оснований, при этом, как необходимые позиции считывания, фиксируются только три основания. А что такое, остальные позиции? Возможно, тот самый «контекст», который и меняет варианты считывания триплета. Омонемические, по терминологии П.П.Гаряева.
Конечно, это только один из множества частных случаев понимания многостороннего понятия контекста. Но …, по крайней мере, он позволяет понять кое-что, не прибегая к высшим философским обобщениям. На вполне реальном уровне механистического понимания.
Об алфавите клеточных текстов.
Вопрос, конечно, интересный…
О понимании оснований ДНК, как букв какого-то клеточного алфавита принято биологами на вооружение давно. Отсюда и возникновение понятия смыслового контекста в оценке триплетного кодирования, и поиск осмысленного подхода клетки к этому кодированию, и постепенный переход к Высшему Разуму, написавшему эту книгу Жизни…
Только вот, с точным указанием букв этого алфавита все время возникают разногласия. Что принимать за буквы? Основания (А,Т,С,G), кодоны, составленные из них, или аминокислоты в составе получаемого при трансляции белка?
Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов – 64, что взять за основу?
О необходимости лингвистической оценки последовательностей ДНК, РНК и белковых молекул говорят все, независимо от понимания букв клеточного алфавита. Подходить к информации ДНК, как к смысловому тексту с пониманием контекста применимого для литературной оценки, так требуют понимать биологи. Таким образом, предполагается, что исследуемый язык обладает всеми атрибутами развитого литературного языка и нужен соответствующий подход к оценке его многосмысловой информативности.
Прекрасно. И все же, буквы – где? Чем написан этот литературный текст, требующий такого пристального внимания лингвистов? Пока в рамках того же механистического подхода…
Основания или нуклеотиды? Похоже – нет. С этим соглашается основная масса биологов. Маловато 4-х оснований для создания литературного текста. Да еще при наличии непрерывности последовательности на всем протяжении ДНК.
С кодоном, как буквой этого алфавита трудности возникают сразу. Где он, этот кодон, на ДНК и РНК, как его найти? Это может сделать только рибосома, и то, только при непосредственном контакте. Да и что это за составные буквы такие, из триплетов? Сложно понять. Тем не менее, у этого понимания кодонов, как букв клеточного алфавита, сторонников достаточно.
Принять за буквы алфавита аминокислоты? Да, с этим согласно большинство. Но, тогда Книгой Жизни становится белок, а не ДНК. В белке смысловой контекст есть, а в ДНК, получается, может и не быть? Или будет, но другой, отличный от белкового…
И потому, требование оценки и ДНК, и белка с позиций смыслового контекста есть, а уточнения, что и как все же надо оценивать – нет.
П.П.Гаряев в этой ситуации предложил, в том числе и лингвистически, оценивать не ДНК и белок, а их голографические объемные «портреты». Очень сильная позиция, надо признать. И очень продуктивная…
Но вот с алфавитом клетки при механистическом, привычном уже подходе, тогда совсем непонятно. Есть он, или его нет совсем, и это понятие только аллегория?
Биологи уточнений не дают. Но упорно продолжают применять это понятие. Каждый - в своем понимании…
Об исходной системе кодирования.
Именно об исходной, которая была, возможно, на этапе разделения клеток на прокариоты и эукариоты. Сейчас она скрыта многочисленными наложениями и отклонениями и у тех, и у других. Миллионы лет эволюции бесследно не прошли.
И все же…
Не всегда ДНК была хранилищем информации, раньше эту роль могла исполнять РНК. Она вполне заменяла и белок на каком-то этапе. Об этом говорят многочисленные исследования. И оснований ДНК и РНК не всегда было 4, но мы сейчас не об этом…
Но на каком-то этапе развития появилась система кодирования информации, тогда вполне удовлетворяющая всем требованиям информационной и логической структуры управления процессами клетки.
Та самая классика, на которую все указывают, и тут же начинают опровергать…
Информационный массив – ДНК, РНК. Последовательность, состоящая из комбинации 4 нуклеотидов: A,T(U),C,G.
Шаг считывания информации – 1 нуклеотид.
Метод считывания информации – последовательный.
Объем разового считывания – триплет.
Ни одна логическая система считать не умеет. Но, вот считать до одного она в состоянии. Это дальше уже - много. И различать разные
единицы в двух соседних парах – тоже. И если ось симметрии вещественная, то определять логические состояния соседних позиций относительно такой оси, она вполне в состоянии. Но, вот дальше увеличивать зону чтения без счета на том этапе видимо было очень трудно.
И потому, на том этапе – триплет, это максимально возможная форма единицы информации системы. Разряд на оси симметрии, разряд справа и разряд – слева.
Три разных единицы учета… даже для шагового чтения… это много.
В системе кодирования информации ДНК и РНК применено 4 возможных логических состояния, триплетное считывание. Сложность для клетки – предельная.
Как доказать триплетность кода? Это я уже показывал и не раз. Напишем еще раз: Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов или триплетов – 64.
Математика простая: 64/3 = 21
Такое количество неперекрываемых триплетов возможно получить при шаге фиксации через одно основание. Это 20 триплетов для аминокислот и один СТОП-кодон.
С другой стороны: 4 3 = 64, это те же 21х3=63, это 60 комбинаций триплетов, 3 стоп кодона и старт-кодон, замыкает вариационное множество. Это просто математика, но... она показывает, что первоначально, действительно считывались три подряд основания - кодон при шаге в 1 основание. Это и обусловило применяемое количество аминокислот - 20. Таким образом, все же - триплет.
В этом случае понятна вырожденность кода аминокислоты в триплете. Она возникла от перекрываемости кода.
Мы неверно понимаем появление вырожденности кодонов. Это не расширение возможностей системы в кодировании информации, а «ошибки её прошлого». Это отголосок исходной системы кодирования…
Информация на тему:
«С.153: “ ... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов”.
Конечно, для кодирования любой аминокислоты в основаниях ДНК достаточно одного кодового триплета. Тем более, при неперекрываемом кодировании. Повторяй один кодон сколько угодно раз, и получай столько молекул нужной аминокислоты в белке. Легко, просто, понятно, и энергозатраты минимальны.
Вырожденность кода триплета – вынужденная мера, впрямую связанная с первоначальным способом считывания кода. Так уж получилось в ходе эволюции.
Механизм появления вырожденности кода выглядит вот так:
При шаге считывания триплетов в 1 основание за каждый шаг меняется только один знак триплета, а два знака триплета остаются постоянными. Только синхронно сдвигается их позиции. При двух шагах неизменной остается информация только одного знака триплета, но она проходит последовательно по всем позициям отображения.
Зачем нам это?
При 3 кодирующих знаках на каждом шаге повторяются 2 знака. И лишь один изменяется. На следующем шаге изменится и второй знак. И один знак останется неизменным на пройденном пути. Полная смена знаков наступит только после третьего шага. Только теперь новая комбинация триплета не будет иметь влияния от предыдущих сочетаний.
При триплетном шаге каждый новый триплет в формировании не зависит от предыдущего, но… такой шаг для такой считывающей системы тогда был невозможен.
И формируемые триплеты ДНК оказывались при чтении зависимыми друг от друга.
Такое плавное перетекание одного триплета в другой приводит к ограничению возможности быстрого использования всех перестановок в триплете. Для возможного использования всех 64 вариантов триплета необходимо 64*3 = 192 единичных шага считывания триплетов ДНК. И наоборот, из 64 шагов считывания возможных комбинаций при последовательном шаговом чтении всех кодонов, от первой до 64-ой, будет 42 повтора, а уникальных будет не более 1/3 = 21 комбинация. И еще 1/3….
Вот и ответ, почему аминокислот только 20. Можно было бы и больше, да система кодирования и считывания информации не позволяет.
Вот и стала клетка использовать дополнительные коды из имеющихся 42 повторов. Иначе она и не могла, потому, что пробелы в трансляции недопустимы. Есть код - любой, и рибосома должна выполнить операцию трансляции. Переходные варианты от одного независимого кода триплета к другому стали быстро заниматься теми же 20-ю аминокислотами, но уже в зависимости от частоты применения. Для одной -6 кодов, а другой и одного хватает. Мы это и регистрируем, как вырожденность кода.
Понятно, что при использовании зависимых кодонов должна была расширяться и база транспортных тРНК. Так и произошло. При полномасштабной системе количество кодонов иРНК должно соответствовать количеству антикодонов на тРНК. Так что, большое количество тРНК говорит только о том, что система изначально формировалась именно таким способом.
Как мы видим, первоначальная или исходная система кодирования на этапе появления 4 нуклеотидов в ДНК хорошо просматривается. Далее уже пошли наслоения поздних эволюционных процессов. И сегодня мы имеем…то, что имеем.
Начальные основные коды аминокислот.
С другой стороны, если следовать по этому пути, то из 64 возможных можно выбрать какие-то 21 комбинаций и применить, как основные. Но, какие?
Как клетка могла выбирать? Самый простой ответ – по максимальной симметрии триплета.
Применим принцип симметричности в поиске нужных сочетаний и проверим, насколько мы правильно поняли путь природного кодирования аминокислот в ДНК. Для этого соберем все варианты симметричных кодов в таблицу 2. Отличный результат…, 15 из 16 возможных аминокислот получили симметричные коды.
Но, осталось еще 5 аминокислот и СТОП.
Видимо Природа шла тем же путем, … и споткнулась на том же месте. Все симметричные варианты использованы, запаса для расширения системы нет, а кодов не хватает. Какой следующий вариант применила она для продолжения поиска кодов?
Теперь повторы и один добавочный элемент…
Есть. CAA, AAC, UGG, и вот он основной Стоп-кодон – UAA.
Осталось найти еще два кодона…
GAC и AUG. Последний и стал Старт-кодоном…
И общее количество основных сочетаний используемых в ДНК и РНК стало – 21. Таблица 2 отражает путь поиска основных кодовых обозначений.
Но и тут эволюционная логика развития показывает интересный пример. До конца и сразу использованы только полные симметрии. Остальные варианты использованы не сразу и не полностью. Например, для аминокислоты Gly использован основной кодон GGG, а потом добавлен GGU, из неиспользованного резерва…
Созданные резервы кодирования работали до последнего. Сегодня все резервы давно использованы и пришло время совмещения функций, где это возможно. Например, для Старт-кодона. Начался поиск новых путей в расширении возможностей триплетного кодирования. аминокислот в РНК. Вот примерно так, возможно, шел отбор основных кодов. По симметрии и простейшим перестановкам…
Таблица 2
Логика действий понятна. Возможно, мы ошиблись в последовательности действий, но это пока не так важно. Конечно, это только мои вариации на тему, профессионалам, наверное, виднее, так или не так всё было в действительности, но все же, … получилось интересно.
Не сходятся концы с концами…
Странно, … симметричные коды можно использовать только при триплетном считывании, без перекрытия. Этот момент заставляет еще раз присмотреться к приведенной выше математике получения 20 аминокислот для использования в триплетном кодировании. Явно, одно не соответствует другому.
Математика показывает объективную реальность поэлементного движения рибосомы по РНК. Но и такое широкое использование симметрий в кодировании аминокислот так же не может быть случайным, и указывает на триплеты независимого считывания.
Возможно, что поэлементное считывание информации РНК существовало до триплетного кодирования и какое-то время вместе с появлением триплетов. Оно и определило количество применяемых аминокислот.
Но на каком-то этапе произошел скачок в развитии. Система кодирования была полностью пересмотрена. Триплетное независимое считывание заставило заново провести кодирование используемых аминокислот по признакам симметрии. Но эволюция не умеет отбрасывать старые варианты…
Дополнительные коды уже есть, пришлось их перераспределить по аминокислотам в зависимости от частоты их применения.
И сложилась парадоксальная картина. Считывание, вроде бы, неперекрываемое, и для кодирования аминокислоты достаточно одного кодона, а использованными оказались все 64 варианта. Потенциальная избыточность кодирования перекрыта вырожденностью кодов. Расчетный запас есть, а фактически – нет. Как это получилось, мы уже увидели.
Скорее всего, фактором пересмотра системы стало быстрое развитие клеточных рибосом. В конечном итоге они определяют всю систему кодирования и её применение в клеточном организме.
Можно предположить, что зона считывания информации у рибосомы давно превысила три знака и вышла далеко за эти пределы. Появилась возможность выбора и запоминания информации нужного кодона внутри большой зоны считывания информации. Это позволило оставить рибосоме поэлементный шаг, но была реализована и возможность триплетного считывания в независимом режиме. У рибосомы где-то появилась оперативная память.
Зона считывания информации для рибосомы даже у прокариотов, как мы видим, достигла 7 нуклеотидов. И это не предел. Если принять за основу, что рибосомы имеют два центра трансляции или считывания информации , то их суммарная зона считывания информации одной рибосомой достигла уже и 14 нуклеотидов. Какие-то участки кодов принимаются за триплеты, а остальное составляет контекст…
А сейчас…
А сейчас всё совсем запуталось. По информации биологов счет идет в триплетах, правда никто не объясняет, как это происходит. Ближайший контекст не учитывается. Сопоставление кодовой последовательности РНК и получаемого по ней белка представляет собой очень трудную задачу, и четко понять, как изменилась система и что учитывается при трансляции – пока видимо невозможно.
Мало того, биологи основное внимание уделяют не систематизации, а нахождению отклонений от системы, тем самым увеличивая и без того обширное разнообразие фактов, и сами себе создают головоломную задачку-нерешайку. Неразбериху дополняет полное смешение разнообразных отклонений в механизмах считывании триплетов прокариотов и эукариотов в один большой кроссворд…, где они и сами уже, похоже, запутались.
Почему? У них задачи другие. Они работают с биологическими объектами, так, как принято в их науке. Потому и выводы по вопросам кодирования РНК нашли отражение в теории «качания», а не в системе принципов считывания информации и теории кодирования. Их можно понять, но выход надо находить…
Предложенный самими биологами технократический подход к проблеме понимания кодирования ДНК еще далеко не исчерпал свои возможности. По сути, пока он толком и не применялся. Использовалась только терминология, но не подход.
Возможно, настало время применения машинного анализа последовательностей ДНК с учетом расширенной зоны считывания информации по отношению к триплету кодирования. Тогда станет понятен механизм действия ближайшего к триплету считывания контекста кодирования, а возможно, и элементов программирования процесса трансляции белка, запоминаемых рибосомой. Особенно важен такой анализ для исследования нетранслируемых областей РНК и ДНК. Так как уже понятно, что это программные элементы системы кодирования. От них зависят все процессы, в том числе и трансляция белка. Название «мусор» к ним явно никак не походит…
Да и не может быть «мусора» в массивах стратегически важной информации, хранящихся в ДНК. Этого никакая информационная система себе позволить не может.
Сегодняшний уровень развития вычислительной техники вполне позволяет решать эти задачи. Построить систему информационного управления в клеточной структуре, уточнить каналы связей, установить ключевые элементы управления и систему сигналов. Тогда будет понятен хоть примерный уровень технической сложности этой системы управления. Пока понятно только одно, что ключевую роль в ней исполняет рибосома, но насколько технически сложен это универсальный клеточный автомат? Как на её фоне выглядит техническая сложность остальных исполнительных механизмов клетки?
Ответов я пока не нашел…
Литература:
- Гаряев П.П. Тертышный Г.Г. Леонова Е.А. Мологин А.В. Волновые биокомпьютерные функции ДНК. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157645&s
- Никитин А.В., Считывание и обработка информации ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16147, 08.11.2010
Никитин А.В., Проблемы понимания системы кодирования ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16181, 27.11.2010
Нуклеотиды ДНК и РНК
|
Кодон - триплет нуклеотидов, кодирующих определенную аминокислоту. |
| таб. 1. Аминокислоты, которые обычно встречаются в белках | |
| Название | Сокращенное обозначение |
| 1. Аланин | Ala |
| 2. Аргинин | Arg |
| 3. Аспарагин | Asn |
| 4. Аспарагиновая кислота | Asp |
| 5. Цистеин | Cys |
| 6. Глутаминовая кислота | Glu |
| 7. Глутамин | Gln |
| 8. Глицин | Gly |
| 9. Гистидин | His |
| 10. Изолейцин | Ile |
| 11. Лейцин | Leu |
| 12. Лизин | Lys |
| 13. Метионин | Met |
| 14. Фенилаланин | Phe |
| 15. Пролин | Pro |
| 16. Серии | Ser |
| 17. Треонин | Thr |
| 18. Триптофан | Trp |
| 19. Тирозин | Tyr |
| 20. Валин | Val |
Генетический код, который еще называют аминокислотным кодом, - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белке с помощью последовательности расположения нуклеотидных остатков в ДНК, которые содержат одно из 4-х азотистых оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т). Однако, поскольку двунитчатая спираль ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка, который кодируется одной из этих нитей (т.е. РНК), то код записывается на языке РНК, в котором вместо тимина входит урацил (U). По этой же причине принято говорить, что код - это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.
Генетический код представлен определенными кодовыми словами, - кодонами.
Первое кодовое слово было расшифровано Ниренбергом и Маттеи в 1961 г. Они получили из кишечной палочки экстракт, содержащий рибосомы и прочие факторы, необходимые для синтеза белка. Получилась бесклеточная система для синтеза белка, которая могла бы осуществлять сборку белка из аминокислот, если в среду добавить необходимую мРНК. Добавив в среду синтетическую РНК, состоящую только из урацилов, они обнаружили, что образовался белок, состоящий только из фенилаланина (полифенилаланин). Так было установлено, что триплет нуклеотидов УУУ (кодон) соответствует фенилаланину. В течение последующих 5-6 лет были определены все кодоны генетического кода.
Генетический код - своеобразный словарь, переводящий текст, записанный с помощью четырех нуклеотидов, в белковый текст, записанный с помощью 20 аминокислот. Остальные аминокислоты, встречающиеся в белке, являются модификациями одной из 20 аминокислот.
Свойства генетического кода
Генетический код имеет следующие свойства.
- Триплетность - каждой аминокислоте соответствует тройка нуклеотидов. Легко подсчитать, что существуют 4 3 = 64 кодона. Из них 61 является смысловым и 3 - бессмысленными (терминирующими, stop-кодонами).
- Непрерывность
(нет разделительных знаков между нуклеотидами) - отсутствие внутригенных знаков препинания;
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона. В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его непрерывность (компактость) [показать]
Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида.
Одиночная мутация ("+" или "-") в начале гена или двойная мутация ("+" или "-") - портит весь ген.
Тройная мутация ("+" или "-") в начале гена портит лишь часть гена.
Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.
Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, что
- код триплетен и внутри гена нет знаков препинания
- между генами есть знаки препинания
- Наличие межгенных знаков препинания
- наличие среди триплетов инициирующих кодонов (с них начинается биосинтез белка),
кодонов - терминаторов (обозначают конец биосинтеза белка);
Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).
В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию.
- Колинеарность - соответствие линейной последовательности кодонов мРНК и аминокислот в белке.
- Специфичность - каждой аминокислоте соответствуют только определенные кодоны, которые не могут использоваться для другой аминокислоты.
- Однонаправленность - кодоны считываются в одном направлении - от первого нуклеотида к последующим
- Вырожденность, или избыточность
,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов (аминокислот – 20, возможных триплетов – 64,
61 из них смысловой, т. е. в среднем каждой аминокислоте соответствует около 3 кодонов); исключение составляет метионин (Met) и триптофан (Trp).
Причина вырожденности кода состоит в том, что главную смысловую нагрузку несут два первых нуклеотида в триплете, а третий не так важен. Отсюда правило вырожденности кода : если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида, а их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и ту же аминокислоту.
Однако из этого идеального правила есть два исключения. Это кодон АUА, который должен соответствовать не изолейцину, а метионину и кодон UGА, который является терминирующим, тогда как должен соответствовать триптофану. Вырожденность кода имеет, очевидно, приспособительное значение.
- Универсальность
- все перечисленные выше свойства генетического кода характерны для всех живых организмов.
Кодон Универсальный код Митохондриальные коды Позвоночные Беспозвоночные Дрожжи Растения UGA STOP Trp Trp Trp STOP AUA Ile Met Met Met Ile CUA Leu Leu Leu Thr Leu AGA Arg STOP Ser Arg Arg AGG Arg STOP Ser Arg Arg В последнее время принцип универсальности кода был поколеблен в связи c открытием Береллом в 1979 г. идеального кода митохондрий человека, в котором выполняется правило вырожденности кода. В коде митохондрий кодон UGA соответствует триптофану, а AUA - метионину, как того требует правило вырожденности кода.
Возможно, в начале эволюции у всех простейших организмов был такой же код, как и у митохондрий, а затем он претерпел небольшие отклонения.
- Неперекрываемость
- каждый из триплетов генетического текста независим друг от друга, один нуклеотид входит в состав только одного триплета;
На рис. показана разница между перекрывающимся и неперекрывающимся кодом.
В 1976г. была секвенирована ДНК фага φХ174. У него одноцепочечная кольцевая ДНК, состоящая из 5375 нуклеотидов. Было известно, что фаг кодирует 9 белков. Для 6 из них были определены гены, располагающиеся друг за другом.
Выяснилось, что есть перекрывание. Ген Е полностью находится внутри гена D. Его инициирующий кодон появляется в результате сдвига считывания на один нуклеотид. Ген J начинается там, где кончается ген D. Инициирующий кодон гена J перекрывается с терминирующим кодоном гена D в результате сдвига на два нуклеотида. Конструкция называется "сдвиг рамки считывания" на число нуклеотидов, некратное трем. На сегодняшний день перекрывание показано только для нескольких фагов.
- Помехоустойчивость
- отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен.
Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.
Так как одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами, то некоторые замены в триплетах не приводят к замене кодируемой аминокислоты (например UUU -> UUC оставляет фенилаланин). Некоторые замены меняют аминокислоту на другую из того же класса (неполярный, полярный, основной, кислотный), остальные замены меняют и класс аминокислоты.
В каждом триплете можно провести 9 однократных замен, т.е. выбрать, какую из позиций меняем - можно тремя способами (1-я или 2-я или 3-я), причем выбранную букву (нуклеотид) можно поменять на 4-1=3 других буквы (нуклеотида). Общее количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549.
Прямым подсчетом по таблице генетического кода можно убедиться, что из них: 23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов трансляции. 134 замены не меняют кодируемую аминокислоту. 230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты. 162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются радикальными. Из 183 замен 3-его нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 - консервативны. Из 183 замен 1-ого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны и 60 - радикальны. Из 183 замен 2-го нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 - консервативны, 102 - радикальны.
В обмене веществ организма ведущая роль
принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.
Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.
Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.
План синтеза
белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима служба доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую службу доставки исполняют молекулы РНК.Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается. Процесс считки информации с ДНК и синтеза по ее матрице РНК называется транскрипцией , а синтезированная РНК называется информационной или и-РНК .
После дальнейших изменений этот вид закодированной и-РНК готов. и-РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы и-РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв и-РНК образует «букву», обозначающее одну конкретную аминокислоту.
Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. Эта РНК называется транспортной, или т-РНК. По мере прочтения и перевода сообщения и-РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка. Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все варианты укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 1027 (!) лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды, и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.
Гены, генетический код и его свойства.
На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные : каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.
Такие различия объясняются различиями в генотипах -наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках - следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.
Это не означает , что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы .
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип . Таким образом,
Ген – единица наследственной информации организма, которой соответствует отдельный участок ДНК
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода , который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.
Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).
Собственно
кодом
считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК
, т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции
) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции
).
В состав и-РНК входят нуклеотиды А-Ц-Г-У, триплеты которых называются кодонами
: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ. Именно кодонами и-РНК
отражается генетический код в записи.
Таким образом, генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов . Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетен . Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными ). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, должно быть не менее трех. В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64.
2. Избыточность (вырожденность ) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции: в молекуле и-РНК триплеты УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп -сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.
3. Однозначность кода - одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности : каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.
4. Коллинеарность кода, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
5. Генетический код неперекрываем и компактен , т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп -сигналов (терминирующих кодонов ).
6. Генетический код универсален , т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и- РНК и построения цепочек белковых молекул.
Реакции матричного синтеза.
В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе - реакции матричного синтеза.
Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.
Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, та-ких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.
Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно. Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК .
Мономерные молекулы , из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.
Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь , и готовый полимер сбрасывается с матрицы.
После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.
Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.
Реакции матричного синтеза
1. Репликация ДНК - реплика́ция (от лат. replicatio - возобновление) - процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков, называемый реплисомой . Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.
Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов. Молекула ДНК способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.
Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.
Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.
Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться - процесс устранения ошибок называется репарацией . Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
2. Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. РНК-полимераза движется по молекуле ДНК в направлении 3" → 5". Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации . Единицей транскрипции является оперон, фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемой части и терминатора . и-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.
Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.
3. Трансляция (от лат. translatio - перенос, перемещение) - процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой. Иными словами, это процесс перевода информации, со-держащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность амино-кислот в полипептиде.
4. Обратная транскрипция - это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации из одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.
Однако в 1970 году Темин и Балтимор независимо друг от друга открыли фермент, названный обратной транскриптазой (ревертазой)
, и возможность обратной транскрипции была окончательно подтверждена. В 1975 году Темину и Балтимору была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Некоторые вирусы (такие как вирус иммунодефицита человека, вызывающий ВИЧ-инфекцию), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединена с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой
. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК
(кДНК) из вирусного генома. Ассоциированный фермент рибонуклеаза расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином
, которые образуют новые вирусы. В случае с ВИЧ так же программируется апоптоз (смерть клетки) Т-лимфоцитов. В иных случаях клетка может остаться распространителем вирусов.
Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы.
Таким образом, биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.
Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки , составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться . Эта активация происходит под действием особых ферментов.
В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК . Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК , которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.
Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК . Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.
Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал » от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.
Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника – матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК ), которая синтезируется в ядр е под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и- РНК и далее на белок .
Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет) , взаимо-действует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.
Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и- РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы.
Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.
Основные этапы передачи генетической информации:
1. Синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)
2. Синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция)
.
Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.
У прокариот транскрипция и трансляция могут осуществляться одновременно, поскольку ДНК находится в цитоплазме. У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка.
1. Кодирование и реализация биологической информации в клетке. Кодовая система днк и белка.
2. Генная инженерия. Биотехнология. Задачи, методы. Достижения, перспективы.
3. Определение науки экологии. Среда как экологическое понятие, факторы среды. Экосистема, биогеоценоз, антропоценоз. Специфика среды жизни людей.
1. Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковых молекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидных цепях зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Для шифровки 20 различных аминокислот достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами.
Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательного расположения нуклеотидов в и-РНК.
Св-ва ген. кода:
1) Код триплетен. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, называется триплетом или кодоном.
2) Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (исключение метиотин и триптофан)
3) Код однозначен – каждый кодон шифрует только 1 аминоксилоту
4) Между генами имеются «знаки препинания» (УАА,УАГ,УГА) каждый из которых означает прекращение синтеза и стоит в конце каждого гена.
5) Внутри гена нет знаков препинания.
6) Код универсален. Генетический код един для всех живых на земле существ.
Транскрипция – это процесс считывания информации РНК, осуществляемой и-РНК полимеразой. ДНК – носитель всей генетической информации в клетке, непосредственного участия в синтезе белков не принимает. К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информационный посредник, способный пройти поры ядерной мембраны. Им является и-РНК. По принципу комплементарности она считывает с ДНК при участии фермента называемого РНК – полимеразой. В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:
1) Связывание РНК-полимеразы с промотором,
2) инициация – начало синтеза. Оно заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ и ГТФ и два нуклеотидом синтезирующей молекулы и-РНК,
3) элонгация – рост цепи РНК, т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой ните ДНК,
4) Терминация – завершения синтеза и-РНК. Промотр – площадка для РНК-полимеразы. Оперон – часть одного гена ДНК.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г), пятиатомный сахар пентозу – дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.
2. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, или технология рекомбинантных ДНК, изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть. Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.
Методы генной инженерии:
Метод секвенирования – определение нуклеотидной последовательности ДНК;
Метод обратной транскрипции ДНК;
Размножение отдельных фрагментов ДНК.
Современная биотехнология - это новое научно-техническое направление, возникшее в 60-70-х годах нашего столетия. Особенно бурно она стала развиваться с середины 70-х годов после первых успехов генно-инженерных экспериментов. Биотехнология, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, генетики и химической техники дала возможность получения с помощью легко доступных, возобновляемых ресурсов тех веществ и которые важны для жизни и благосостояния.
3. Экология – наука о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания. Природа, в которой обитает живой организм, является средой его обитания . Факторы среды, которые воздействуют на организм, называют экологическими факторами:
абиотические факторы – факторы неживой природы (температура, свет, влажность);
биотические факторы – взаимоотношения между особями в популяции и между популяциями в природном обществе;
антропогенный фактор – деятельность человека, приводящая к изменению среды обитания живых организмов.
Фотопериодизм – общее важное приспособление организмов. Так, весенние удлиняющиеся дни вызывают активную деятельность половых желез.
В 1935 г. английский ботаник А.Тесли ввел понятие «экосистема »- исторически сложившиеся открытые, но целостные и устойчивые системы живых и неживых компонентов, имеющие односторонний поток энергии, внутренние и внешние круговороты веществ и обладающие способностью регулировать все эти процессы.
В 1942 г. советский академик В.Н.Сукачев сформулировал понятие «биогеоценоз » - открытая природная система, состоящая из живых и неживых компонентов, занимающая территорию со сравнительно однородным растительным сообществом и характеризующаяся определенным потоком энергии, круговоротом веществ, движением и развитием.
Лес, поле, луг – это экосистема. Но когда характеристика леса и его тип конкретизуется определенным растительным сообществом (ельник – черничник, сосняк – брусничник) - это биогеоценоз.
Среда обитания человека представляет собой переплетение взаимодействующих естественных и антропогенных экологических факторов, набор которых различается в разных природно-географических и экономических регионах планеты.
Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.
Свойства генетического кода.
Генетический код имеет несколько свойств.
Триплетность.
Вырожденность или избыточность.
Однозначность.
Полярность.
Неперекрываемость.
Компактность.
Универсальность.
Следует отметить, что некоторые авторы предлагают ещё и другие свойства кода, связанные с химическими особенностями входящих в код нуклеотидов или с частотой встречаемости отдельных аминокислот в белках организма и т.д. Однако эти свойство вытекают из вышеперечисленных, поэтому там мы их и рассмотрим.
а. Триплетность. Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет – это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.
Элементарную структурную единицу вначале расшифровали теоретически, а затем её существование подтвердили экспериментально. И действительно, 20 аминокислот невозможно закодировать одним или двумя нуклеотидом т.к. последних всего 4. Три нуклеотида из четырёх дают 4 3 = 64 варианта, что с избытком перекрывает число имеющихся у живых организмах аминокислот (см.табл. 1).
Представленные в таблице 64 сочетания нуклеотидов имеют две особенности. Во-первых, из 64 вариантов триплетов только 61 являются кодонами и кодируют какую либо аминокислоту, их называют смысловые кодоны . Три триплета не кодируют
аминокислот а являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА , их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называютнонсенс-мутация . Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться – синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» — Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).
Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие тРНК. Для нонсенс-кодонов тРНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка тРНК не принимает участие.
Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции .
б. Вырожденность или избыточность.
61 из 64 триплетов кодируют 20 аминокислот. Такое трёхразовое превышение числа триплетов над количеством аминокислот позволяет предположить, что в переносе информации могут быть использованы два варианта кодирования. Во-первых, не все 64 кодона могут быть задействованы в кодировании 20 аминокислот, а только 20 и, во-вторых, аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами. Исследования показали, что природа использовала последний вариант.
Его предпочтение очевидно. Если бы из 64 варианта триплетов в кодировании аминокислот участвовало только 20, то 44 триплета (из 64) оставались бы не кодирующими, т.е. бессмысленными (нонсенс-кодонами). Ранее мы указывали, насколько опасно для жизнедеятельности клетки превращение кодирующего триплета в результате мутации в нонсенс-кодон — это существенно нарушает нормальную работу РНК-полимеразы, приводя в конечном итоге к развитию заболеваний. В настоящее время в нашем геноме три кодона являются бессмысленными, а теперь представьте, что было бы если число нонсенс-кодонов увеличится в примерно в 15 раз. Понятно, что в такой ситуации переход нормальных кодонов в нонсенс-кодоны будет неизмеримо выше.
Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. Так, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валин кодируется четырьмя триплетами, фенилаланин - двумя и только триптофан и метионин кодируются одним кодоном. Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит названиевырожденность.
Число кодонов, предназначенных для одной аминокислоты, хорошо коррелируется с частотой встречаемости аминокислоты в белках.
И это, скорее всего, не случайно. Чем больше частота встречаемости аминокислоты в белке, тем чаще представлен кодон этой аминокислоты в геноме, тем выше вероятность его повреждения мутагенными факторами. Поэтому понятно, что мутированный кодон имеет больше шансов кодировать туже аминокислоту при высокой его вырожденности. С этих позиций вырожденность генетического кода является механизмом защищающим геном человека от повреждений.
Необходимо отметить, что термин вырожденность используется в молекулярной генетики и в другом смысле. Так основная часть информации в кодоне приходится на первые два нуклеотида, основание в третьем положении кодона оказывается малосущественным. Этот феномен называют “вырожденностью третьего основания”. Последняя особенность сводит до минимума эффект мутаций. Например, известно, что основной функцией эритроцитов крови является перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Осуществляет эту функцию дыхательный пигмент - гемоглобин, который заполняет всю цитоплазму эритроцита. Состоит он из белковой части – глобина, который кодируется соответствующим геном. Кроме белка в молекулу гемоглобина входит гем, содержащий железо. Мутации в глобиновых генах приводят к появлению различных вариантов гемоглобинов. Чаще всего мутации связаны с заменой одного нуклеотида на другой и появлением в гене нового кодона , который может кодировать новую аминокислоту в полипептидной цепи гемоглобина. В триплете, в результате мутации может быть заменён любой нуклеотид – первый, второй или третий. Известно несколько сотен мутаций, затрагивающих целостность генов глобина. Около400 из них связаны с заменой единичных нуклеотидов в гене и соответствующей аминокислотной заменой в полипептиде. Из них только100 замен приводят к нестабильности гемоглобина и различного рода заболеваниям от легких до очень тяжелых. 300 (примерно 64%) мутаций-замен не влияют на функцию гемоглобина и не приводят к патологии. Одной из причин этого является упомянутая выше “вырожденность третьего основания”, когда замена третьего нуклеотида в триплете кодирующем серин, лейцин, пролин, аргинин и некоторые другие аминокислоты приводит к появлению кодона-синонима, кодирующего ту же аминокислоту. Фенотипически такая мутация не проявится. В отличие от этого любая замена первого или второго нуклеотида в триплете в 100 % случаях приводит к появлению нового варианта гемоглобина. Но и в этом случае тяжёлых фенотипических нарушений может и не быть. Причиной этому является замена аминокислоты в гемоглобине на другую сходную с первой по физико-химическим свойствам. Например, если аминокислота, обладающая гидрофильными свойствами, заменена на другую аминокислоту, но с такими же свойствами.
Гемоглобин состоит из железопорфириновой группы гема (к ней и присоединяются молекулы кислорода и углекислоты) и белка - глобина. Гемоглобин взрослого человека (НвА) содержит две идентичные -цепи и две -цепи. Молекула -цепи содержит 141 аминокислотных остатков, -цепочка - 146, — и -цепи различаются по многим аминокислотным остаткам. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Ген, кодирующий -цепь располагается в коротком плече 16 хромосомы, -ген - в коротком плече 11 хромосомы. Замена в гене, кодирующем -цепь гемоглобина первого или второго нуклеотида практически всегда приводит к появлению в белка новых аминокислот, нарушению функций гемоглобина и тяжёлым последствия для больного. Например, замена “Ц” в одном из триплетов ЦАУ (гистидин) на “У” - приведет к появлению нового триплета УАУ, кодирующего другую аминокислоту - тирозин Фенотипически это проявится в тяжёлом заболевании.. Аналогичная замена в 63 положении -цепи полипептида гистидина на тирозин приведет к дестабилизации гемоглобина. Развивается заболевание метгемоглобинемия. Замена, в результате мутации, глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении -цепи является причиной тяжелейшего заболевания - серповидно-клеточной анемии. Не будем продолжать печальный список. Отметим только, что при замене первых двух нуклеотидов может появится аминокислота по физико-химическим свойствам похожая на прежнюю. Так, замена 2-го нуклеотида в одном из триплетов, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА) в -цепи на “У” приводит к появлению нового триплета (ГУА), кодирующего валин, а замена первого нуклеотида на “А” формирует триплет ААА, кодирующий аминокислоту лизин. Глутаминовая кислота и лизин сходны по физико-химическим свойствам - они обе гидрофильны. Валин - гидрофобная аминокислота. Поэтому, замена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин, значительно меняет свойства гемоглобина, что, в конечном итоге, приводит к развитию серповидноклеточной анемии, замена же гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофильный лизин в меньшей степени меняет функцию гемоглобина - у больных возникает легкая форма малокровия. В результате замены третьего основания новый триплет может кодировать туже аминокислоты, что и прежней. Например, если в триплете ЦАУ урацил был заменён на цитозин и возник триплет ЦАЦ, то практически никаких фенотипических изменений у человека выявлено не будет. Это понятно, т.к. оба триплета кодируют одну и туже аминокислоту – гистидин.
В заключении уместно подчеркнуть, что вырожденность генетического кода и вырожденность третьего основания с общебиологических позиция являются защитными механизмами, которые заложены в эволюции в уникальной структуре ДНК и РНК.
в. Однозначность.
Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный).
Однозначен
Кодон аминокислота
Вырожденный
И в этом случае необходимость однозначности в генетическом коде очевидна. При другом варианте при трансляции одного и того же кодона в белковую цепочку встраивались бы разные аминокислоты и в итоге формировались белков с различной первичной структурой и разной функцией. Метаболизм клетки перешёл бы в режим работы «один ген – несколько поипептидов». Понятно, что в такой ситуации регулирующая функция генов была бы полностью утрачена.
г. Полярность
Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). Ранее мы говорили о том, что структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка. Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).
Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур.
д. Неперекрываемость.
Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов.
Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона. Если бы код был перекрывающим, то последовательность из семи нуклеотидов (ГЦУГЦУГ) могла кодировать не две аминокислоты (аланин-аланин) (рис.33,А) как в случае с не перекрывающимся кодом, а три (если общим является один нуклеотид) (рис. 33, Б) или пять (если общими являются два нуклеотида) (см. рис. 33, В). В последних двух случаях мутация любого нуклеотида привела бы к нарушению в последовательности двух, трёх и т.д. аминокислот.
Однако установлено, что мутация одного нуклеотида всегда нарушает включение в полипептид одной аминокислоты. Это существенный довод в пользу того, что код является не перекрывающимся.
Поясним это на рисунке 34. Жирными линиями показаны триплеты кодирующие аминокислоты в случае не перекрывающегося и перекрывающегося кода. Эксперименты однозначно показали, что генетический код является не перекрывающимся. Не вдаваясь в детали эксперимента отметим, что если заменить в последовательности нуклеотидов (см. рис.34) третий нуклеотид У (отмечен звёздочкой) на какой-либо другой то:
1. При неперекрывающемся коде контролируемый этой последовательностью белок имел бы замену одной (первой) аминокислоте (отмечена звёздочками).
2. При перекрывающемся коде в варианте А произошла бы замена в двух (первой и второй) аминокислотах (отмечены звёздочками). При варианте Б замена коснулась бы трёх аминокислот (отмечены звёздочками).
Однако многочисленные опыты показали, что при нарушении одного нуклеотида в ДНК, нарушения в белке всегда касаются только одной аминокислоты, что характерно для неперекрывающегося кода.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Аланин – Аланин Ала – Цис – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей
А Б В
Не перекрывающийся код Перекрывающийся код
Рис. 34. Схема, объясняющая наличие в геноме не перекрывающегося кода (объяснение в тексте).
Неперекрываемость генетического кода связана с ещё одним свойством – считывание информации начинается с определённой точки – сигнала инициации. Таким сигналом инициации в иРНК является кодон, кодирующий метионин АУГ.
Следует отметить, что у человека всё-таки имеется небольшое число генов, которые отступают от общего правила и перекрываются.
е. Компактность.
Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.
ж. Универсальность.
Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений. Есть и исключения, но их не много.
Первые исключения из универсальности генетического кода были обнаружены в митохондриях некоторых видов животных. Это касалось кодона терминатора УГА, который читался так же как кодон УГГ, кодирующий аминокислоту триптофан. Были найдены и другие более редкие отклонения от универсальности.
Кодовая система ДНК.
Генетический код днк состоит из 64 триплетов нуклеотидов. Эти триплеты называют кодонами. Каждый кодон кодирует одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белков. Это дает некоторую избыточность в коде: большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном.
Один кодон выполняет две взаимосвязанные функции: сигнализирует о начале перевода и кодирует включения аминокислоты метионина (Met) в растущую полипептидную цепь. Кодовая система днк устроена так, что генетический код может быть выражен либо как РНК-кодонами, либо кодонамиДНК. РНК-кодоны встречаются в РНК (мРНК) и эти кодоны способны читать информацию в процессе синтеза полипептидов (процесс, называемый переводом). Но каждая молекула мРНК приобретает последовательность нуклеотидов в транскрипции с соответствующего гена.
Все, кроме двух аминокислот (Met и Trp) могут быть закодированы посредством от 2 до 6 различных кодонов. Тем не менее, геном большинства организмов показывает, что определенные кодоны предпочтительны по сравнению с другими. У человека, например, аланин кодируется GCC четыре раза чаще, чем в GCG. Это, вероятно, свидетельствует о большей эффективности перевода аппарата трансляции (например, рибосомы) для некоторых кодонов.
Генетический код является почти универсальным. Те же кодоны назначены на тот же участок аминокислот и тем же сигналы пуска и остановки в подавляющем большинстве совпадают у животных, растений и микроорганизмов. Тем не менее, некоторые исключения были найдены. Большинство из них включают назначение одного или двух из трех стоп-кодонов к аминокислоте.