Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С ) и фосфатной (Ф ) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т ), гуанин — только с цитозином (Г-Ц ). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой "лестницы" ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
- Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
- Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
- Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты - это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания , соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) - дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания - урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания - аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль . Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей . Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A-T G-C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении - от 5’-конца к 3’-концу:
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК - это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез - это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ
(дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез
ведущей
цепи
дочерней ДНК в направлении 5"→3" на матрице
материнскойнити ДНК по направлению от ее 3"-конца к 5"-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской
нити ДНК ограничиваются.
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см.
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5"→3" синтезирует праймер (РНК-затравку) - последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
Вместо
ДНК-полимеразы
α
к 3"-концу праймера присоединяется
ДНК-полимераза
ε
.
6)
ДНК-полимераза
ε
(эпсилон)
как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает
дезоксирибонуклеотиды
(в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей -
РНК
(т.е. праймер) и
ДНК
.
ДНК-полимераза
ε
работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего
фрагмента Оказаки
(синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.
7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε , движется в том же направлении (5"→3") и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε ). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи.
В результате на матрице материнской нити "лежит" фрагмент дочерней ДНК. Он называется
фрагмент Оказаки
.
8) ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки , т.е. 5"-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε , и 3"-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β .
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом . Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т ) в РНК представлен урацил (U ) , который также комплементарен аденину.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией , то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами - РНК-полимеразами .
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК - эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ - 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,
а синтезируемая с нее РНК - последовательность
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка
на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5" к 3" концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
|
1-е
ние |
2-е основание |
3-е
ние |
|||||||
|
U |
C |
A |
G |
||||||
|
U |
U U U |
(Phe/F) |
U C U |
(Ser/S) |
U A U |
(Tyr/Y) |
U G U |
(Cys/C) |
U |
|
U U C |
U C C |
U A C |
U G C |
C |
|||||
|
U U A |
(Leu/L) |
U C A |
U A A |
Стоп-кодон** |
U G A |
Стоп-кодон** |
A |
||
|
U U G |
U C G |
U A G |
Стоп-кодон** |
U G G |
(Trp/W) |
G |
|||
|
C |
C U U |
C C U |
(Pro/P) |
C A U |
(His/H) |
C G U |
(Arg/R) |
U |
|
|
C U C |
C C C |
C A C |
C G C |
C |
|||||
|
C U A |
C C A |
C A A |
(Gln/Q) |
C GA |
A |
||||
|
C U G |
C C G |
C A G |
C G G |
G |
|||||
|
A |
A U U |
(Ile/I) |
A C U |
(Thr/T) |
A A U |
(Asn/N) |
A G U |
(Ser/S) |
U |
|
A U C |
A C C |
A A C |
A G C |
C |
|||||
|
A U A |
A C A |
A A A |
(Lys/K) |
A G A |
A |
||||
|
A U G |
(Met/M) |
A C G |
A A G |
A G G |
G |
||||
|
G |
G U U |
(Val/V) |
G C U |
(Ala/A) |
G A U |
(Asp/D) |
G G U |
(Gly/G) |
U |
|
G U C |
G C C |
G A C |
G G C |
C |
|||||
|
G U A |
G C A |
G A A |
(Glu/E) |
G G A |
A |
||||
|
G U G |
G C G |
G A G |
G G G |
G |
|||||
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
- *Триплет AUG , также кодирующий метионин, называется старт-кодоном . С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.
- **Триплеты UAA , UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.
Свойства генетического кода
1. Триплетность . Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом или кодоном.
2. Непрерывность . Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость . Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность . Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность . Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность . Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA - 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT - 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA - 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’- AUAUG CUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК - на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
(общие понятия)
Геном - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.
Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации ), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент» . Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид» , поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид - аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами ).
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена , кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов ). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру - нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli
, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека
примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli
имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli
приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами
(рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов
|
Общая ДНК, п.н. |
Число хромосом* |
Примерное число генов |
|
|
Escherichia coli (бактерия) |
4 639 675 |
4 435 |
|
|
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) |
12 080 000 |
16** |
5 860 |
|
Caenorhabditis elegans (нематода) |
90 269 800 |
12*** |
23 000 |
|
Arabidopsis thaliana (растение) |
119 186 200 |
33 000 |
|
|
Drosophila melanogaster (плодовая мушка) |
120 367 260 |
20 000 |
|
|
Oryza sativa (рис) |
480 000 000 |
57 000 |
|
|
Mus musculus (мышь) |
2 634 266 500 |
27 000 |
|
|
Homo sapiens (человек) |
3 070 128 600 |
29 000 |
Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам
* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный
набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) - двойной набор хромосом
(2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.
В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila , классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n ) зависит от вида организма (табл. 2).
Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17 ). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а , содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.
Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.
Размер и функция ДНК как матрицы для хранения и передачи наследственного материала объясняют наличие особых структурных элементов в организации этой молекулы. У высших организмов ДНК распределена между хромосомами.
Совокупность ДНК (хромосом) организма называется геномом. Хромосомы находятся в клеточном ядре и формируют структуру, называемую хроматином. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и основных белков (гистонов) в соотношении 1:1. Длину ДНК обычно измеряют числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Например, 3-я хромосома чело века представляет собой молекулу ДНК размером 160 млн п.н.. Выделенная линеаризованная ДНК размером 3*10 6 п.н. имеет длину примерно 1 мм, следовательно, линеаризованная молекула 3-й хромосомы человека была бы 5 мм в длину, а ДНК всех 23 хромосом (~3*10 9 п.н., MR = 1,8*10 12) гаплоидной клетки - яйцеклетки или сперматозоида - в линеаризованном виде составляла бы 1 м. За исключением половых клеток, все клетки организма человека (их около 1013) содержат двойной набор хромосом. При клеточном делении все 46 молекул ДНК реплицируются и снова организуются в 46 хромосом.
Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).
Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!
В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.
СТРОЕНИЕ ГЕНОВ
Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.
Кодирующая последовательность - основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.
До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности . Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.
Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции - транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.
Терминатор - нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.
В начале гена находится регуляторная область , включающая в себя промотор и оператор .
Промотор - последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор - это область, с которой могут связываться специальные белки - репрессоры , которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена - иначе говоря, уменьшать его экспрессию .
Строение генов у прокариот
Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается - и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.
Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) - изображение увеличивается
В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.
Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу - оперон . Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона - регуляторы . Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор . Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.
Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции .
Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот - изображение увеличивается
Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.
Строение генов у эукариот
Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы
У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).
Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами , или встроенными последовательностями , а кодирующие сегменты — экзонами . У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.
Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки - экзоны , и нетранслируемые участки - интроны.
В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.
Рис. 16. Схема строение гена у эукариот - изображение увеличивается
С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.
После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.
Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга - изображение увеличивается
Такая организация генов позволяет, например, осуществить , когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.
Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот - изображение увеличивается
МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ
Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.
Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом , а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом .
Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:
1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.
2. Мутации передаются из поколения в поколение.
3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.
4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.
5. Сходные мутации могут возникать повторно.
6. Мутации не направленны.
Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий : физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации .
В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.
Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.
В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной . Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной . Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.
По эффекту выделяют мутации адаптивные , приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные , не влияющие на выживаемость, вредные , понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные , приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.
По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка , мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции , а также мутации, которые изменяют дозу гена , и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.
Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической . Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.
Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные , хромосомные и геномные мутации.
Генные мутации
Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными , или точечными (точковыми) . Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены , приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции , приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции , приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.
Рис. 23. Генные (точечные) мутации
По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные , которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации , которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации , приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:
Рис. 24. Схемы мутаций
Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки
считывания
, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.
, когда участок хромосомы поворачивается на 180 градусов,
Рис. 28. Транслокация
Рис. 29. Хромосома до и после дупликации
Геномные мутации
Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).
Видео по теме ДНК
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА
(Если видео не отображается оно доступно по
В любой клетке и организме все особенности анатомического, морфологического и функционального характера определяются структурой белков, которые входят в них. Наследственным свойством организма является способность к синтезу определенных белков. В аминокислоты расположены в полипептидной цепочке, от которой зависят биологические признаки.
Для каждой клетки характерна своя последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Это и есть генетический код ДНК. Посредством его записывается информация о синтезе тех или иных белков. О том, что такое генетический код, о его свойствах и генетической информации рассказывается в этой статье.
Немного истории
Идея о том, что, возможно, генетический код существует, была сформулирована Дж.Гамовым и А.Дауном в середине двадцатого столетия. Они описали, что последовательность нуклеотидов, отвечающая за синтез определенной аминокислоты, содержит по меньшей мере три звена. Позже доказали точное количество из трех нуклеотидов (это единица генетического кода), которое назвали триплет или кодон. Всего нуклеотидов насчитывается шестьдесят четыре, потому что молекулы кислот, где происходит или РНК, состоит из остатков четырех различных нуклеотидов.
Что такое генетический код
Способ кодирования последовательности белков аминокислот благодаря последовательности нуклеотидов характерен для всех живых клеток и организмов. Вот что такое генетический код.
В ДНК есть четыре нуклеотида:
- аденин - А;
- гуанин - Г;
- цитозин - Ц;
- тимин - Т.
Они обозначаются заглавными буквами латинскими или (в русскоязычной литературе) русскими.
В РНК также присутствуют четыре нуклеотида, однако один из них отличается от ДНК:
- аденин - А;
- гуанин - Г;
- цитозин - Ц;
- урацил - У.
Все нуклеотиды выстраиваются в цепочки, причем в ДНК получается двойная спираль, а в РНК — одинарная.
Белки строятся на где они, расположенные в определенной последовательности, определяют его биологические свойства.
Свойства генетического кода
Триплетность. Единица генетического кода состоит из трех букв, он триплетен. Это означает, что двадцать существующих аминокислот зашифрованы тремя определенными нуклеотидами, которые называются кодонами или трилпетами. Существуют шестьдесят четыре комбинации, которые можно создать из четырех нуклеотидов. Этого количества более чем достаточно для того, чтобы закодировать двадцать аминокислот.
Вырожденность. Каждая аминокислота соответствует более чем одному кодону, за исключением метионина и триптофана.
Однозначность. Один кодон шифрует одну аминокислоту. Например, в гене здорового человека с информацией о бета-цели гемоглобина триплет ГАГ и ГАА кодирует А у всех, кто болен серповидноклеточной анемией, один нуклеотид заменен.
Коллинеарность. Последовательность аминокислот всегда соответствует последовательности нуклеотидов, которую содержит ген.
Генетический код непрерывен и компактен, что означает то, что он не имеет «знаков препинания». То есть, начинаясь на определенном кодоне, идет непрерывное считывание. К примеру, АУГГУГЦУУААУГУГ будет считываться как: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Но никак не АУГ, УГГ и так далее или как-то еще иначе.
Универсальность. Он един абсолютно для всех земных организмов, от людей до рыб, грибов и бактерий.
Таблица
В представленной таблице присутствуют не все имеющиеся аминокислоты. Гидроксипролин, гидроксилизин, фосфосерин, иодопроизводных тирозина, цистин и некоторые другие отсутствуют, так как они являются производными других аминокислот, кодирующихся м-РНК и образующихся после модификации белков в результате трансляции.
Из свойств генетического кода известно, что один кодон способен кодировать одну аминокислоту. Исключением является выполняющий дополнительные функции и кодирующий валин и метионин, генетический код. ИРНК, находясь в начале с кодоном, присоединяет т-РНК, которая несет формилметион. По завершении синтеза он отщепляется сам и захватывает за собой формильный остаток, преобразуясь в остаток метионина. Так, вышеупомянутые кодоны являются инициаторами синтеза цепи полипептидов. Если же они находятся не в начале, то ничем не отличаются от других.
Генетическая информация
Под этим понятием подразумевается программа свойств, которая передается от предков. Она заложена в наследственности как генетический код.
Реализуется при синтезе белка генетический код :
- информационной и-РНК;
- рибосомальной р-РНК.
Информация передается прямой связью (ДНК-РНК-белок) и обратной (среда-белок-ДНК).
Организмы могут получать, сохранять, передавать ее и использовать при этом наиболее эффективно.
Передаваясь по наследству, информация определяет развитие того или иного организма. Но из-за взаимодействия с окружающей средой реакция последнего искажается, благодаря чему и происходит эволюция и развитие. Таким образом в организм закладывается новая информация.
Вычисление закономерностей молекулярной биологии и открытие генетического кода проиллюстрировали то, что необходимо соединить генетику с теорией Дарвина, на основе чего появилась синтетическая теория эволюции — неклассическая биология.
Наследственность, изменчивость и естественный отбор Дарвина дополняются генетически определяемым отбором. Эволюция реализуется на генетическом уровне путем случайных мутаций и наследованием самых ценных признаков, которые наиболее адаптированы к окружающей среде.
Расшифровка кода у человека
В девяностых годах был начат проект Human Genome, в результате чего в двухтысячных были открыты фрагменты генома, содержащие 99,99% генов человека. Неизвестными остались фрагменты, которые не участвуют в синтезе белков и не кодируются. Их роль пока остается неизвестной.
Последняя открытая в 2006 году хромосома 1 является самой длинной в геноме. Более трехсот пятидесяти заболеваний, в том числе рак, появляются в результате нарушений и мутаций в ней.
Роль подобных исследований трудно переоценить. Когда открыли, что такое генетический код, стало известно, по каким закономерностям происходит развитие, как формируется морфологическое строение, психика, предрасположенность к тем или иным заболеваниям, обмен веществ и пороки индивидов.
Лекция 5. Генетический код
Определение понятия
Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК.
Поскольку ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, то код записывается на языке РНК. В РНК вместо тимина входит урацил.
Свойства генетического кода
1. Триплетность
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.
Определение: триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.
2. Вырожденность.
Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом:
2 АК по 1 триплету = 2.
9 АК по 2 триплета = 18.
1 АК 3 триплета = 3.
5 АК по 4 триплета = 20.
3 АК по 6 триплетов = 18.
Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.
3. Наличие межгенных знаков препинания.
Определение:
Ген - это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tPHK , r РНК или sPHK .
Гены tPHK , rPHK , sPHK белки не кодируют.
В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х триплетов, кодирующих терминирующие кодоны РНК, или стоп-сигналы. В мРНК они имеют следующий вид: UAA , UAG , UGA . Они терминируют (оканчивают) трансляцию.
Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. (См. лекцию 8) Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).
4. Однозначность.
Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.
Исключение составляет кодон AUG . У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.
5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания.
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.
В 1961 г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактность.
Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген.
Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.
Эксперимент доказывает, что код тршплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами.
6. Универсальность.
Генетический код един для всех живущих на Земле существ.
В 1979 г. Беррел открыл идеальный код митохондрий человека.
Определение:
«Идеальным» называется генетический код, в котором выполняется правило вырожденности квазидублетного кода: Если в двух триплетах совпадают первые два нуклеотида, а третьи нуклеотиды относятся к одному классу (оба - пурины или оба - пиримидины), то эти триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту.
Из этого правила в универсальном коде есть два исключения. Оба отклонения от идеального кода в универсальном касаются принципиальных моментов: начала и конца синтеза белка:
Кодон | Универсальный код | Митохондриальные коды |
|||
Позвоночные | Беспозвоночные | Дрожжи | Растения |
||
STOP | STOP |
||||
С UA | |||||
А G А | STOP | ||||
STOP | 230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты.
к
рываемость.
В 1956 г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода. Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене, входит в состав 3-х кодонов. Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем, т.е. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона. Достоинства перекрываемого генетического кода: компактность, меньшая зависимость структуры белка от вставки или делеции нуклеотида. Недостаток: большая зависимость структуры белка от замены нуклеотида и ограничение на соседей. В 1976 г. 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. Информационная емкость ДНК На Земле живет 6 миллиардов человек. Наследственная информация о них 4x10 13 книжных страниц. Эти страницы заняли бы объем 6-и зданий НГУ. 6x10 9 сперматозоидов занимают половину наперстка. Их ДНК занимает менее четверти наперстка. | ||||
Ведущий научный журнал Nature сообщил об обнаружении второго генетического кода – такого себе «кода внутри кода», который был недавно взломан молекулярными биологами и компьютерными программистами. Более того, для того чтобы его выявить, они использовали не эволюционную теорию, а информационные технологии.
Новый код получил название Код Сплайсинга. Он находится внутри ДНК. Этот код контролирует основной генетический код очень сложным, однако, предсказуемым образом. Код сплайсинга управляет тем, как и когда происходит сборка генов и регулирующих элементов. Раскрытие этого кода внутри кода помогает пролить свет на некоторые давнишние тайны генетики, которые всплыли на поверхность после проведения Проекта по расшифровке полной последовательности генома человека. Одна из таких тайн заключалась в том, почему в таком сложном организме, как человеческий, существует всего лишь 20 000 генов? (Ученые ожидали обнаружить намного больше.) Почему гены разбиваются на сегменты (экзоны), которые разделяются некодирующими элементами (интроны), а затем после транскрипции соединяются вместе (т.е. сплайсируются)? И почему гены включаются в одних клетках и тканях, и не включаются в других? На протяжении двух десятилетий молекулярные биологи пытались выяснить механизмы генетической регуляции. Эта статья указывает на очень важный момент в понимании того, что происходит на самом деле. Она не дает ответы на все вопросы, но она демонстрирует, что внутренний код существует. Этот код – система передачи информации, которую можно так понятно расшифровать, что ученые могли бы прогнозировать, как в определенных ситуациях и с необъяснимой точностью может вести себя геном.
Представьте, что в соседней комнате вы слышите оркестр. Вы открываете дверь, заглядываете внутрь и видите в комнате трех или четырех музыкантов, играющих на музыкальных инструментах. Это то, на что, по словам Брендона Фрея, участвовавшего в раскрытии кода, похож человеческий геном. Он говорит: «Мы смогли обнаружить только 20,000 генов, но мы знали, что они образуют огромное количество белковых продуктов и регулирующих элементов. Как? Один из методов называется альтернативным сплайсингом» . Различные экзоны (части генов) могут собираться разными способами. «Например, три гена белка нейрексина могут создавать более 3000 генетических посланий, которые помогают управлять системой связей мозга» , - говорит Фрей. Тут же в статье говорится о том, что ученым известно, что 95% наших генов имеют альтернативный сплайсинг, и в большинстве случаев в разных типах клеток и тканей транскрипты (молекулы РНК, образующиеся в результате транскрипции) экспрессируются по-разному. Должно быть что-то, что управляет тем, как собираются и экспрессируются эти тысячи комбинаций. В этом и состоит задача Кода Сплайсинга.
Читатели, которые хотят получить беглый обзор открытия, могут прочитать статью в Science Daily под названием «Исследователи, взломавшие ‘Код сплайсинга’, раскрывают тайну, лежащую в основе биологической сложности» . В статье говорится: «Ученые из университета Торонто получили фундаментально новое представление о том, как живые клетки используют ограниченное число генов для образования таких невероятно сложных органов, как мозг» . Сам журнал Nature начинается со статьи Хейди Ледфорда «Код внутри кода». Затем последовала статья Техедора и Валькарсела под названием «Регуляция генов: взлом второго генетического кода. И, наконец, решающей стала статья группы исследователей из университета Торонто под руководством Бенджамина Д. Бленкоу и Брендона Д. Фрея, «Расшифровывая код сплайсинга».
Эта статья – победа информационной науки, которая напоминает нам дешифровальщиков времен Второй Мировой Войны. Их методы включали алгебру, геометрию, теорию вероятностей, векторное исчисление, теорию информации, оптимизацию кода программы, и другие передовые методы. В чем они не нуждались, так это в эволюционной теории , которая никогда не упоминалась в научных статьях. Читая эту статью, можно увидеть, под каким сильным напряжением находятся авторы этой увертюры:
«Мы описываем схему ‘кода сплайсинга’, в которой используются комбинации сотен свойств РНК для того, чтобы предсказать обусловленные тканями изменения в альтернативном сплайсинге тысячи экзонов. Код устанавливает новые классы схем сплайсинга, распознает разные регулирующие программы в разных тканях и устанавливает контролируемые мутациями регулирующие последовательности. Мы раскрыли широко распространенные регулирующие стратегии, включая: использование непредвиденно крупных объединений свойств; выявление низких уровней включения экзона, которые ослабляются свойствами специфических тканей; проявление свойств в интронах глубже, чем считалось раньше; и модуляция уровней сплайс-варианта структурными характеристиками транскрипта. Код помог установить класс экзонов, включение которых заглушает экспрессию в тканях взрослого организма, активируя деградацию мРНКа, и исключение которых способствует экспрессии во время эмбриогенеза. Код облегчает раскрытие и детальное описание регулируемых событий альтернативного сплайсинга в масштабах всего генома».
В команде, взломавшей код, участвовали специалисты с кафедры электронной и вычислительной техники, а также с кафедры молекулярной генетики. (Сам же Фрей работает в подразделении корпорации Microsoft, Microsoft Research) Подобно дешифровальщикам прошлого времени, Фрей и Бараш разработали «новый метод биологического анализа, проводимого с помощью компьютера, который обнаруживает ‘кодовые слова’, запрятанные внутри генома» . С помощью огромного количества данных, созданных молекулярными генетиками, группа исследователей проводила «обратную разработку» кода сплайсинга до тех пор, пока они не смогли предсказать, как он будет действовать . Как только исследователи с этим справились, они проверили этот код на мутациях и увидели, как вставляются или удаляются экзоны. Они обнаружили, что код даже может вызывать тканеспецифические изменения или действовать по-разному в зависимости от того, взрослая это мышь или эмбрион. Один ген, Xpo4, связан с раком; исследователи отметили: «Эти данные подтверждают вывод о том, что экспрессия Xpo4 гена должна строго контролироваться во избежание возможных губительных последствий, включая онкогенез (рак), так как он активен во время эмбриогенеза, но его количество снижено в тканях взрослого организма. Оказывается, что они были абсолютно удивлены уровнем контроля, который они увидели. Намеренно или нет, но в качестве ключа к разгадке Фрей использовал не случайную изменчивость и отбор, а язык разумного замысла. Он отметил: «Понимание сложной биологической системы подобно пониманию сложной электронной схемы».
Хейди Ледфорд сказал, что кажущаяся простота генетического кода Уотсона-Крика, с его четырьмя основаниями, триплетными кодонами, 20 аминокислотами и 64 «символами» ДНК – скрывает под собой целый мир сложности . Заключенный внутри этого более простого кода, Код сплайсинга намного сложнее.
Но между ДНК и белками находится РНК – отдельный мир сложности. РНК – это трансформер, который иногда переносит генетические послания, а иногда управляет ими, задействуя при этом множество структур, способных влиять на его функцию. В статье, опубликованной в этом же выпуске, группа исследователей под руководством Бенджамина Д. Бленкоу и Брендона Д. Фрея из университета Торонто в Онтарио, Канада, сообщает о попытках разгадать второй генетический код, который может предсказывать, как сегменты информационной РНК, транскрибированные с определенного гена, могут смешиваться и сочетаться, чтобы образовывать разнообразные продукты в разных тканях. Это процесс известен как альтернативный сплайсинг. На этот раз нет никакой простой таблицы – вместо неё алгоритмы, которые объединяют более чем 200 различных свойств ДНК с определениями структуры РНК.
Работа этих исследователей указывает на быстрый прогресс, которого достигли вычислительные методы в составлении модели РНК. В дополнение к пониманию альтернативного сплайсинга, информатика помогает ученым предсказывать структуры РНК и устанавливать маленькие регулирующие фрагменты РНК, которые не кодируют протеины. «Это замечательное время» , - говорит Кристофер Берг, компьютерный биолог из массачусетского института технологий в Кембридже. «В будущем нас ждёт огромный успех» .
Информатика, компьютерная биология, алгоритмы и коды – эти концепции не были частью дарвиновского словаря, когда он разрабатывал свою теорию. У Менделя была очень упрощенная модель того, как распределяются признаки во время унаследования. К тому же, идея о том, что признаки кодируются, была представлена только в 1953 году. Мы видим, что исходный генетический код регулируется еще более сложным, включенным в него, кодом. Это революционные идеи . К тому же есть все признаки того, что этот уровень контроля не последний . Ледфорд напоминает нам, что например, РНК и белки имеют трехмерную структуру. Функции молекул могут изменяться, когда изменяется их форма Должно существовать что-то, что контролирует складывание, так что трехмерная структура выполняет то, что требует функция. К тому же, доступ к генам, по-видимому, контролируется другим кодом, гистоновым кодом . Этот код закодирован молекулярными маркерами или «хвостами» на гистоновых белках, которые служат центрами для скручивания и суперскручивания ДНК. Описывая наше время, Ледфорд говорит о «постоянном возрождении в информатике РНК» .
Техедор и Валькарсел согласны с тем, что за простотой кроется сложность. «По идее все выглядит очень просто: ДНК образует РНК, которая затем создает белок» , - начинают они свою статью. «Но в реальности всё намного сложнее» . В 1950-х годах мы узнали о том, что все живые организмы, от бактерий до человека, имеют основной генетический код. Но вскоре мы поняли, что сложные организмы (эукариоты) обладают каким-то неестественным и трудным для понимания свойством: их геномы имеют своеобразные участки, интроны, которые должны удаляться, чтобы экзоны могли соединиться вместе. Почему? Сегодня туман рассеивается: «Основное преимущество этого механизма заключается в том, что он позволяет разным клеткам выбирать альтернативные способы сплайсинга предшественника матричной РНК (пре-мРНК) и таким образом один ген образует различные послания», - объясняют они, - «а затем различные мРНК могут кодировать разные белки с различными функциями» . Из меньшего кода вы получаете больше информации, при условии, что внутри кода есть этот другой код, который знает, как это сделать.
Что и делает взлом кода сплайсинга настолько трудным, так это то, что факторы, контролирующие сборку экзонов, устанавливаются множеством других факторов: последовательностями, расположенными рядом с границами экзона, последовательностями интронов и регулирующими факторами, которые либо помогают, либо тормозят механизм сплайсинга. К тому же, «воздействия определенной последовательности или фактора могут изменяться в зависимости от её расположения относительно границ интрона-экзона или других регуляторных мотивов» , - поясняют Техедор и Валькарсел. «Поэтому самой сложной задачей в предсказании тканеспецифического сплайсинга является вычисление алгебры несметного числа мотивов и взаимоотношений между регуляторными факторами, которые их распознают» .
Для разрешения этой проблемы группа исследователей ввела в компьютер огромное количество данных о последовательностях РНК и условиях, в которых они образовались. «Затем компьютеру было дано задание - определить комбинацию свойств, которые лучше всего могли бы объяснить экспериментально установленный тканеспецифический отбор экзонов» . Другими словами, исследователи провели обратную разработку кода. Подобно дешифровальщикам времен Второй Мировой Войны, как только ученые узнают алгоритм, они могут делать предсказания: «Он правильно и с точностью установил альтернативные экзоны и предсказал их дифференциальное регулирование между парами типов тканей». И так же как любая хорошая научная теория, открытие дало новое понимание: «Это позволило нам по-новому объяснить ранее установленные регуляторные мотивы и указало на ранее неизвестные свойства известных регуляторов, а также неожиданные функциональные связи между ними» , - отметили исследователи. «Например, код подразумевает, что включение экзонов, ведущее к процессированным белкам, является общим механизмом управления процессом экспрессии генов во время перехода из эмбриональной ткани в ткань взрослого организма» .
Техедор и Валькарсел считают публикацию их статьи важным первым шагом: «Работу... лучше рассматривать как открытие первого фрагмента гораздо более крупного Розеттского камня, необходимого для расшифровки альтернативных сообщений нашего генома». По словам этих ученых, будущие исследования, несомненно, улучшат их знания об этом новом коде. В заключение своей статьи они вскользь упоминают эволюцию, и делают это очень необычным образом. Они говорят: «Это не значит, что эволюция создала эти коды. Это означает, что прогресс будет требовать понимания того, как коды взаимодействуют. Другой неожиданностью стало то, что наблюдаемая на сегодня степень сохранения поднимает вопрос о возможном существовании «видоспецифичных кодов» .
Код, вероятно, работает в каждой отдельной клетке и, поэтому, возможно должен отвечать более чем за 200 типов клеток млекопитающих животных. Также он должен справляться с огромным разнообразием схем альтернативного сплайсинга, не говоря уже о простых решениях о включении или пропуске отдельного экзона. Ограниченное эволюционное сохранение регулирования альтернативного сплайсинга (который по подсчетам составляет около 20% между людьми и мышами) поднимает вопрос о существовании видоспецифичных кодов. Более того, связь между процессингом ДНК и транскрипцией генов влияет на альтернативный сплайсинг, и последние данные указывают на упаковку ДНК гистоновыми белками и ковалентными модификациями гистонов (так называемый эпигенетический код) в регуляции сплайсинга. Поэтому будущим методам предстоит установить точное взаимодействие между гистоновым кодом и кодом сплайсинга. То же самое касается еще мало понимаемого влияния сложных структур РНК на альтернативный сплайсинг.
Коды, коды и снова коды. То, что ученые практически ничего не говорят о дарвинизме в этих статьях, указывает на то, что эволюционным теоретикам – приверженцам старых идей и традиций, предстоит много над чем поразмышлять после того, как они прочтут эти статьи. А вот те, кто с восторженностью относится к биологии кодов, окажутся на передовой. У них есть замечательная возможность воспользоваться увлекательным веб-приложением, которое дешифровщики создали для того, чтобы стимулировать проведение дальнейшего исследования. Его можно найти на сайте университета Торонто под названием «Веб-сайт прогнозирования альтернативного сплайсинга». Посетители напрасно будут искать здесь упоминания об эволюции, и это несмотря на старую аксиому, что ничего в биологии не имеет без неё смысла. Новая версия этого выражения 2010 года может звучать так: «Ничто в биологии не имеет смысла, если не рассматривается в свете информатики» .
Ссылки и примечания
Мы рады, что смогли рассказать вам об этой истории в день её публикации. Возможно, это одна из наиболее значимых научных статей года. (Конечно же, значимым является каждое большое открытие, сделанное другими группами ученых, как открытие Уотсона и Крика.) Единственное, что мы можем сказать на это: «Вот это да!» Это открытие – замечательное подтверждение Сотворения по замыслу и огромный вызов дарвиновской империи. Интересно, как эволюционисты попытаются исправить свою упрощенную историю случайных мутаций и естественного отбора, которая была придумана еще в 19 столетии, в свете этих новых данных.
Вы поняли, о чем говорят Техедор и Валькарсел? Виды могут иметь свой собственный код, свойственный только этим видам. «Поэтому будущим методам предстоит установить точное взаимодействие между гистоновым [эпигенетическим] кодом и кодом сплайсинга», - отмечают они. В переводе это означает: «Дарвинисты здесь не причем. Они просто не способны с этим справиться». Если простой генетический код Уотсона-Крика был проблемой для дарвинистов, то, что они скажут теперь о коде сплайсинга, который из одних и тех же генов создает тысячи транскриптов? А как они справятся с эпигенетическим кодом, который управляет экспрессией генов? И кто знает, может в этом невероятном «взаимодействии», о котором мы только начинаем узнавать, задействованы и другие коды, напоминающие Розеттский камень, только начинающий показываться из песка?
Теперь, когда мы размышляем о кодах и информатике, мы начинаем думать о разных парадигмах нового исследования. Что если геном частично действует как сеть хранения данных? Что если в нем имеет место криптография или происходят алгоритмы сжатия? Нам следует вспомнить о современных информационных системах и технологиях хранения информации. Может быть, мы даже обнаружим элементы стеганографии. Несомненно, существуют дополнительные механизмы устойчивости, такие как дублирования и исправления, которые возможно помогут объяснить существование псевдогенов. Копирования всего генома могут быть реакциями на стресс. Некоторые из этих явлений могут оказаться полезными показателями исторических событий, которые не имеют ничего общего с универсальным общим предком, но помогают исследовать сравнительную геномику в рамках информатики и дизайна устойчивости, а также помогают понять причину заболевания.
Эволюционисты оказываются в сильном затруднении. Исследователи попытались видоизменить код, а получили только рак и мутации. Как они собираются пройти по полю приспособленности, если оно всё заминировано катастрофами, ждущими своего часа, как только кто-то начинает вмешиваться в эти неразрывно связанные коды? Мы знаем, что существует некая встроенная устойчивость и переносимость, но вся картина представляет собой невероятно сложную, разработанную, оптимизированную информационную систему , а не беспорядочное соединение частей, которыми можно бесконечно играться. Вся идея кода является концепцией разумного замысла.
A. E. Уайлдер-Смит придавал этому особое значение. Код предполагает соглашение между двумя частями. Соглашение – это заблаговременное согласие. Оно подразумевает планирование и цель. Символ SOS, как сказал бы Уайлдер-Смит, мы используем по соглашению как сигнал бедствия. SOS не выглядит как бедствие. Оно не пахнет как бедствие. Оно не ощущается как бедствие. Люди не понимали бы, что эти буквы обозначают бедствие, если бы они не понимали суть самого соглашения. Подобным образом, кодон аланина, ГЦЦ, не выглядит, не пахнет и не ощущается как аланин. Кодон не имел бы никакого отношения к аланину, если бы между двумя кодирующими системами (кодом белка и кодом ДНК) не было заранее установленного соглашения о том, что «ГЦЦ должен означать аланин». Для передачи этого соглашения используется семейство преобразователей, аминоацил-тРНК-синтетаз, которые переводят один код в другой.
Это должно было укрепить теорию замысла в 1950-х годах и многие креационисты эффективно её проповедовали. Но эволюционисты похожи на красноречивых торговцев. Они сочинили свои сказки о фее Динь-Динь, которая разбирает код и создает новые виды путем мутации и отбора, и убедили многих людей в том, что чудеса могут происходить и сегодня. Ну, хорошо, сегодня за окном 21-й век и нам известен эпигенетический код и код сплайсинга – два кода, которые намного сложнее и динамичнее, чем простой код ДНК. Мы знаем о кодах внутри кодов, о кодах над кодами и под кодами – нам известна целая иерархия кодов. На этот раз эволюционисты не могут просто вставить палец в пистолет и с блефом убеждать нас своими красивыми речами, когда по обеим сторонам расставлены пушки – целый арсенал, направленный на их главные элементы конструкции. Всё это игра. Вокруг них выросла целая эра информатики, они давно вышли из моды и похожи на Греков, которые пытаются с копьями лезть на современные танки и вертолеты.
Грустно признавать, но эволюционисты не понимают этого, или даже если и понимают, то не собираются сдаваться. Между прочим, на этой неделе, как раз когда была опубликована статья о Коде сплайсинга, со страниц продарвиновских журналов и газет посыпалась наиболее злая и ненавистная за последнее время риторика, направленная против креационизма и разумного замысда. Нам предстоит услышать еще о многих подобных примерах. И пока они держат в своих руках микрофоны и контролируют институты, многие люди будут попадаться на их удочку, думая, что наука продолжает давать им достаточное основание. Мы рассказываем вам всё это для того, чтобы вы читали этот материал, изучали его, понимали и запаслись информацией, которая вам необходима для того, чтобы сразить истиной этот фанатичный, вводящий в заблуждение вздор. А теперь, вперёд!
Веществами, ответственными за хранение и передачу генетической информации, являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
Все функции клеток и организма в целом определяются набором белков , обеспечивающих
образование клеточных структур,
синтез всех других веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот),
протекание процессов жизнедеятельности.
В геноме содержится информация о последовательности аминокислот во всех белках организма. Именно эта информация и называется генетической информацией .
За счёт регуляции генов регулируется время синтеза белков, их количество, место нахождения в клетке или в организме в целом. Во многом за это отвечают регуляторные участки ДНК, усиливающие и ослабляющие экспрессию генов в ответ на те или иные сигналы.
Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом - в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц), а белки - из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Соотношения, на основе которых осуществляется такой перевод, называются генетическим кодом.
Первым проблему генетического кода теоретически рассмотрел выдающийся физик Георгий Гамов. Генетический код обладает определённым набором свойств, которые будут рассмотрены ниже.
почему необходим генетический код?
Ранее мы говорили о том, что все реакции в живых организмах осуществляются под действием ферментов, и именно способность ферментов сопрягать реакции даёт возможность клеткам синтезировать биополимеры за счёт энергии гидролиза АТФ. В случае простых линейных гомополимеров, то есть полимеров, состоящих из одинаковых единиц, для такого синтеза достаточно одного фермента. Для синтеза полимера, состоящего из двух чередующихся мономеров, необходимо два фермента, трёх - три и т. д. Если полимер разветвлён, необходимы дополнительные ферменты, образующие связи в точках ветвления. Таким образом, при синтезе некоторых сложных полимеров участвует более десяти ферментов, каждый из которых отвечает за присоединение определённого мономера в определённом месте и определённой связью.
Однако при синтезе нерегулярных гетерополимеров (то есть полимеров без повторяющихся участков) с уникальной структурой, таких как белки и нуклеиновые кислоты, такой подход в принципе невозможен. Фермент может присоединить определённую аминокислоту, но не может определить, в каком месте полипептидной цепи её надо поставить. В этом и состоит основная проблема биосинтеза белков, решение которой невозможно при использовании обычного ферментативного аппарата. Необходим дополнительный механизм, использующий некий источник информации о порядке аминокислот в цепи.
Для решения этой проблемы Кольцов предложил матричный механизм синтеза белков . Он считал, что молекула белка является основой, матрицей для синтеза таких же молекул, т. е. против каждого аминокислотного остатка в полипептидной цепи ставится такая же аминокислота в синтезируемой новой молекуле. Эта гипотеза отражала уровень знания той эпохи, когда все функции живого связывались с определёнными белками.
Однако позднее выяснилось, что веществом, хранящим генетическую информацию, являются нуклеиновые кислоты.
СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
КОЛЛИНЕАРНОСТЬ (линейность)
Сначала мы рассмотрим, как в последовательности нуклеотидов записана последовательность аминокислот в белках. Логично предположить, что, поскольку последовательности нуклеотидов и аминокислот линейны, то между ними существует линейное соответствие, т. е. расположенным рядом нуклеотидам в ДНК соответствуют расположенные рядом аминокислоты в полипептиде. На это же указывает линейный характер генетических карт. Доказательством такого линейного соответствия, или коллинеарности, является совпадение линейного расположения мутаций на генетической карте и аминокислотных замен в белках мутантных организмов.
триплетность
При рассмотрении свойств кода реже всего встает вопрос о кодовом числе. Необходимо закодировать 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами. Очевидно, что 1 нуклеотид не может кодировать 1 аминокислоту, т. к. тогда было бы возможно закодировать только 4 аминокислоты. Для того чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов. Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 16 различных комбинаций ($4^2$ = 16). Этого недостаточно. Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 ($4 ^3$ = 64), т. е. даже больше, чем нужно. Понятно, что комбинации из большего числа нуклеотидов тоже могли бы быть использованы, но из соображений простоты и экономии они маловероятны, т. е. код триплетный.
вырожденность и однозначность
В случае 64 комбинаций возникает вопрос, все ли комбинации кодируют аминокислоты или каждой аминокислоте соответствует только один триплет нуклеотидов. Во втором случае большая часть триплетов была бы бессмысленной, а замены нуклеотидов в результате мутаций в двух третях случаев приводили бы к потере белка. Это не соответствовует наблюдаемым частотам потери белка при мутациях, что указывает на использование всех или почти всех триплетов. В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислот . Они служат для того, чтобы обозначать конец полипептидной цепочки. Их называют стоп-кодонами. 61 триплет кодирует различные аминокислоты, т. е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью. Вырожденность имеет место только в направлении от аминокислот к нуклеотидам, в обратном направлении код однозначен, т.е. каждый триплет кодирует одну определённую аминокислоту.
знаки препинания
Важный вопрос, решить который теоретически оказалось невозможным, каким образом триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, отделяются друг от друга, т. е. есть ли в генетическом тексте знаки препинания.
Отсутствие запятых - эксперименты
Остроумные эксперименты Крика и Бреннера позволили узнать, есть ли «запятые» в генетических текстах. В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали возникновение определённого типа мутаций - выпадения или вставки 1 нуклеотида. Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.
Представим себе, что у нас имеется генетический текст, построенный из повторяющейся тройки нуклеотидов АВС (рис. 1, а). В случае, если знаков препинания нет, вставка одного дополнительного нуклеотида приведёт к полному искажению текста (рис. 1, а). Были получены мутации бактериофага, расположенные на генетической карте близко друг от друга. При скрещивании двух фагов, несущих такие мутации, возникал гибрид, несущий две однобуквенные вставки (рис. 1, б). Понятно, что смысл текста терялся и в этом случае. Если же ввести ещё одну однобуквенную вставку, то после короткого неправильного участка смысл восстановится и есть шанс получить функционирующий белок (рис. 1, в). Это верно для триплетного кода при отсутствии знаков препинания. Если кодовое число другое, то и количество необходимых для восстановления смысла вставок будет другим. Если же в коде есть знаки препинания, то вставка нарушит чтение только одного триплета, а весь остальной белок будет синтезироваться правильно и сохранит активность. Эксперименты показали, что однобуквенные вставки всегда приводят к исчезновению белка, а восстановление функции происходит, когда число вставок кратно 3. Таким образом была доказана триплетность генетического кода и отсутствие внутренних знаков препинания.
неперекрываемость
Гамов предположил, что код перекрывающийся, т. е. первый, второй и третий нуклеотиды кодируют первую аминокислоту, второй, третий и четвёртый - вторую аминокислоту, третий, четвёртый и пятый - третью и т. д. Такая гипотеза создавала видимость решения пространственных затруднений, но создавала другую проблему. При таком кодировании за данной аминокислотой не могла идти любая другая, так как в кодирующем её триплете два первых нуклеотида уже были определены, и число возможных триплетов снижалось до четырёх. Анализ последовательностей аминокислот в белках показал, что встречаются все возможные пары соседних аминокислот, т. е. код должен быть неперекрывающимся.
универсальность
расшифровка кода
Когда основные свойства генетического кода были изучены, начались работы по его расшифровке и были определены значения всех триплетов (см. рис.). Триплет, кодирующий определённую аминокислоту, получил название кодона. Как правило, указываются кодоны в мРНК, иногда - в смысловой цепи ДНК (те же кодоны, но с заменой У на Т). Для некоторых аминокислот, например, метионина, существует только один кодон. Другие имеют по два кодона (фенилаланин, тирозин). Есть аминокислоты, которые кодируются тремя, четырьмя и даже шестью кодонами. Кодоны одной аминокислоты похожи друг на друга и, как правило, отличаются одним последним нуклеотидом. Это делает генетический код более устойчивым, так как замена последнего нуклеотида в кодоне при мутациях не ведёт к замене аминокислоты в белке. Знание генетического кода позволяет нам, зная последовательность нуклеотидов в гене, выводить последовательность аминокислот в белке, что широко используется в современных исследованиях.
