Самостоятельная работа по теме: «Биосинтез белка».

Выберите один из вариантов ответа . За каждый правильный ответ 1 балл:

А1. Материальным носителем наследственной информации в эукариотической клетке является:

1) и-РНК 2) т-РНК 3) ДНК 4) хромосома

А2. Видовую принадлежность организма можно установить по анализу:

1) аминокислот 2) нуклеотидов 3) фрагмента ДНК 4) углеводов

А3. В гене закодирована информация о:

1) строении белков, жиров и углеводов

2) последовательности нуклеотидов в ДНК

3) первичной структуре белка

4) последовательности аминокислот в двух и более моле­кулах белков

3) один триплет кодирует последовательность аминокис­лот в молекуле белка

4) код вырожден, так как аминокислоты могут кодиро­ваться несколькими кодонами

5) код избыточен, может кодировать более 20 аминокис­лот

6) код характерен только для эукариотических клеток

В2. Соотнесите вещества и структуры, участвующие в син­тезе белка с их функциями, проставив рядом с цифрами нужные буквы.

ВЗ. Постройте последовательность реакций биосинтеза белка, выписав цифры в необходимом порядке.

1) снятие информации с ДНК

2) узнавание антикодоном т-РНК своего кодона на и - РНК

3) отщепление аминокислоты от т-РНК

4) поступление и-РНК на рибосомы

5) присоединение аминокислоты к белковой цепи с по­мощью фермента

В4. Постройте последовательность реакций трансляции, вы­писав цифры в нужном порядке.

1) присоединение аминокислоты к т-РНК

2) начало синтеза полипептидной цепи на рибосоме

3) присоединение и-РНК к рибосоме

4) окончание синтеза белка

5) удлинение полипептидной цепи

С1. Участок одной из двух цепей молек нуклеотидов с тимином (Т), 150 нуклеотидов с гуанином (Г) и 200 нуклеотидов с цитозином (Ц). Какое число нуклеотидов с А, Т, Г и Ц содержится в двухцепочечной молекуле ДНК? Сколько аминокислот

С2. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: АТАГЦТГААЦГГАЦТ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Генетический код (иРНК)

Правила пользования таблицей

Первый нуклеотид в триплете берется из левого вертикального ряда, второй – из верхнего горизонтального ряда и третий – из правого вертикального. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трёх нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

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 помощь для доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую помощь оказывают 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.

После дальнейших изменений этот вид закодированной РНК готов.

РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв РНК образует «слово», обозначающее одну конкретную аминокислоту.

Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. По мере прочтения и перевода сообщения 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 возможности укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 10 27 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 .

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).

Аминокислот 20 , а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64 четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот

поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами .

Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

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 АЦГУ, 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, оказыва­ется равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 = 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 иРНК 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. Одно­временно с избыточностью коду присуще свойство однозначнос­ти : каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.

4. Код коллинеарен, 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 - реакцииматричного 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, таких, 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 .

К реакциям матричного синтеза относят:

1. репликацию ДНК - процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. 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 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. транскрипцию – синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.

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. трансляцию - синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.

4 . синтез РНК или ДНК на РНК вирусов

Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:

нетранскрибируемая цепь ДНК		А Т Г	Г Г Ц	Т А Т
транскрибируемая цепь ДНК		Т А Ц	Ц Ц Г	А Т А
транскрипция ДНК
кодоны мРНК		А У Г	Г Г Ц	У А У
трансляция мРНК
антикодоны тРНК		У А Ц	Ц Ц Г	А У А
аминокислоты белка		метионин	глицин	тирозин

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 ядре 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 ), взаимодействует 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:

синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)

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 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 - рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап - трансляция.

У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно.

Таким образом,

местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы - это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому , что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Тематические задания

А1. Какое из утверждений неверно?

1) генетический код универсален

2) генетический код вырожден

3) генетический код индивидуален

4) генетический код триплетен

А2. Один триплет ДНК кодирует:

1) последовательность аминокислот в белке

2) один признак организма

3) одну аминокислоту

4) несколько аминокислот

А3. «Знаки препинания» генетического кода

1) запускают синтез белка

2) прекращают синтез белка

3) кодируют определенные белки

4) кодируют группу аминокислот

А4. Если у лягушки аминокислота ВАЛИН кодируется триплетом ГУУ, то у собаки эта аминокислота может кодироваться триплетами:

1) ГУА и ГУГ

2) УУЦ и УЦА

3) ЦУЦ и ЦУА

4) УАГ и УГА

А5. Синтез белка завершается в момент

1) узнавания кодона антикодоном

2) поступления и-РНК на рибосомы

3) появления на рибосоме «знака препинания»

4) присоединения аминокислоты к т-РНК

А6. Укажите пару клеток в которой у одного человека содержится разная генетическая информация?

1) клетки печени и желудка

2) нейрон и лейкоцит

3) мышечная и костная клетки

4) клетка языка и яйцеклетка

А7. Функция и-РНК в процессе биосинтеза

1) хранение наследственной информации

2) транспорт аминокислот на рибосомы

3) передача информации на рибосомы

4) ускорение процесса биосинтеза

А8. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен?

Эта статья — повторение очень важной информации из ранее опубликованного с некоторыми косметическими улучшениями: что такое ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. Без ясного понимания этого вопроса трудно читать некоторые другие генетические посты, поэтому я ОЧЕНЬ советую разобраться в этой теме. На самом деле это совсем несложно.

Итак, мы знаем, что в генах каким-то образом зашифрована инструкция для создания белков и РНК. С РНК все понятно: и ДНК состоит из нуклеотидов, и РНК состоит из них же. Поэтому РНК строится очень просто: напротив одного нуклеотида ДНК пристраивается один [комплементарный] нуклеотид будущей РНК, и так и создается цепочка нуклеотидов, составляющих РНК — один нуклеотид за другим. После этого РНК отсоединяется, проходит финальную обработку и приступает к работе. Тут все ясно.

А как быть с построением белков? Белки ведь состоят не из нуклеотидов, а из аминокислотных остатков. Нуклеотиды и аминокислоты очень сильно отличаются друг от друга, это просто принципиально разные молекулы. Да и к тому же нуклеотидов лишь четыре вида в каждой молекуле ДНК или РНК, а аминокислотных остатков — целых двадцать (и даже немного больше, как мы уже знаем). Значит, не получится одному нуклеотиду поставить в соответствие одну аминокислоту. Тут нужен именно некий ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, то есть — какие-то совершенно конкретные правила, по которым из четырех «букв»-нуклеотидов каким-то образом составляются «слова», которые должны каким-то образом считываться и затем переводиться в последовательность аминокислотных остатков. Выглядит весьма сложно, но другого варианта быть не может.

Ход мыслей генетиков, которые пытались разобраться в этом вопросе, был достаточно прост и предсказуем - ну по крайней мере сейчас так кажется:) Давай пройдем по цепочке их рассуждений.

1. ДНК, в которой в виде генов зашифрована наша наследственная информация, состоит из длинного, очень длинного набора нуклеотидов, которых насчитывается четыре вида - аденин, гуанин, цитозин и тимин (A, G, C, T или, русскими буквами, А, Г, Ц, Т). Можно попробовать запомнить эти названия все сразу, в конце концов четыре наименования — не так уж и много. А если чувствуешь, что они путаются, ну начни запоминать с какого-то одного, например выбери ГУАНИН, который своим благозвучным названием обязан гуано (помету морских птиц), из которого его впервые выделили ученые. Раньше у нас была статья о том, как легко запомнить формулу аденина.

2. Белки построены из аминокислотных остатков, которых в земных организмах насчитывается чуть больше 20 видов (если точнее: 20+2+1). Как там обстоят дела у организмов, живущих на Энцеладе, узнаем позже у Элона Маска или Джеффа Безоса:).

3. Мы знаем, что есть двоичный компьютерный код, устроенный таким образом, что определенная совокупность нулей и единиц обозначает конкретное число нашей десятичной системы счисления. Так может быть и здесь та же схема? То есть какая-то конкретная последовательность нуклеотидов обозначает какую-то определенную аминокислоту?
И если это так, то должен существовать какой-то неизвестный клеточный механизм, который каким-то образом понимает, с какого места надо начинать считывать последовательность нуклеотидов для постройки нужного белка? Да, это должно быть так, ведь ДНК невероятно длинная, нельзя же ее всю целиком считывать, если нужно найти лишь определенное место, где начинается ген.

Потом еще должны быть клеточные механизмы, которые будут разворачивать в нужном месте спираль ДНК, а иначе как считывать информацию с гена?
Потом надо еще разделять двойную спираль ДНК в этом месте на две отдельные нити и считывать информацию.
А потом надо будет обратно сшить нити ДНК в одну двойную спираль.
И уже потом надо как-то переносить полученную информацию туда, где каким-то непонятным образом будет создаваться определенный белок.
Получается, что в клетке должна быть целая совокупность молекулярных механизмов, обслуживаемая целыми толпами высокоспециализированных белков-помощников?…

Итак, есть набор нуклеотидов. Есть набор аминокислот. Между ними непременно должна быть какая-то логическая связь. Да, тут столько всяких «непонятно как», но другого варианта просто не видно. Поэтому генетики последовали заветам Шерлока Холмса, который отбрасывал невозможные версии до тех пор, пока не останется одна, возможная, и поэтому верная. Они решили, что скорее всего, всё устроено именно так сложно, и нужно просто начать внимательно изучать ДНК и искать ответы на все эти вопросы. И их усилия увенчались успехом, всё в самом деле оказалось именно так. Впрочем, не совсем. Все оказалось устроено не просто сложно, а чрезвычайно сложно, в десятки раз сложнее, чем это можно было бы изначально вообразить. И до сих мы понимаем все эти процессы только в самых общих чертах.

Итак, зная, что ДНК состоит всего из четырех видов нуклеотидов, а белки строятся из двадцати аминокислот, легко догадаться, что не может быть такого, чтобы одному виду аминокислот соответствовал один нуклеотид. Значит не может одна «буква» ДНК кодировать одну аминокислоту. А две? Допустим, если подряд стоят аденин и цитозин (AЦ), то это обозначает одну аминокислоту. Может такое быть?
Нужно подсчитать — сколько комбинаций мы можем составить из 4-х нуклеотидных букв: AA, АГ, АЦ, АТ, ГГ, ГЦ, ГТ, ЦЦ, ЦТ, TT. Всё. Десять штук. Не 20. А вдруг клеточные механизмы способны различать АГ и ГА? Не поможет. Всё равно лишь 16 и никак не 20.
Ладно… А если комбинировать их по три штуки? Ну, тогда получается целых 64 комбинации. Неужели природа создала такую избыточность вариантов, зачем? Впрочем, другого варианта нет, значит так?

Оказалось именно так. Именно трёхбуквенным оказался один КОДОН - группа нуклеотидов, кодирующих какую-то определенную аминокислоту. А избыточность количества разных кодонов оказалась очень полезным изобретением природы (об этом мы напишем позже).

Итак: каждой аминокислоте соответствует как минимум одна комбинация последовательно расположенных трёх нуклеотидов.
Зафиксируем эту ясность и пойдем дальше.

Например, если в гене стоит участок ЦЦЦ (цитозин-цитозин-цитозин), то на соответствующее место в белке, который строится по этому гену, будет поставлена аминокислота пролин, и никакая другая.

После доказательства трехбуквенности кодона встал вопрос: каким образом целых 64 возможных комбинации из трех нуклеотидов могут кодировать всего 20 аминокислот? На этот раз всё оказалось просто — несколько кодонов могут обозначать одну и ту же аминокислоту.

Помнишь, выше мы писали, что клеточные механизмы должны как-то понимать, с какого места начать считывание гена, а в каком месте заканчивать. Оказалось, что один из кодонов является СТАРТ-КОДОНОМ, и еще три — СТОП-КОДОНАМИ. Такие кодоны стоят в начале и, соответственно, в конце каждого гена. Если, к примеру, вытащить старт-кодон из цепочки ДНК перед геном, то этот ген никогда считываться не будет.

В таблице, прикрепленной к этому посту, содержится почти весь наш генетический код. Простая штука, четыре на четыре ячейки, но получение этой информации дало гигантский импульс в развитии генетики и смежных наук.
(В этой таблице вместо тимина (Т) указан урацил (U), поскольку в РНК, которая является зеркальной копией гена, вместо тимина стоит урацил — так легче и нам и клеточным механизмам отличать ДНК от РНК — это очень важно, чтобы случайно не начать портить ДНК вместо того, чтобы обрабатывать РНК).

Теперь давай немного погуляем по этой таблице.

Некоторые аминокислоты кодируются двумя, другие — четырьмя или даже шестью кодонами, и лишь одна аминокислота — триптофан — кодируется всего лишь одним кодоном. Такое распределение кодонов не случайно, иначе естественный отбор давно бы его уничтожил. Вообще каждый раз, когда тебе кажется какое-то свойство живого существа непонятно-нелепым, стоит вспоминать, что эволюция не терпит несовершенств и излишеств: то, что не приносит каким-нибудь образом пользы организму или виду в целом, надолго не задерживается.

Часто кодоны, обозначающие одну и ту же аминокислоту, отличаются только последней буквой. Это отпечаток древнейшей истории: самые первые живые существа были гораздо более примитивными, чем самые простейшие из существующих на данный момент, и обходились гораздо меньшим количеством аминокислот в своих клетках. Так что им вполне хватало двухбуквенного кода, составленного из тех же четырех нуклеотидов. Но потом оказалось, что в окружающем этих существ бульоне есть еще кое-какие полезные штуки, которые неплохо бы применить в хозяйстве. Чтобы использовать все доступные и полезные аминокислоты, двухбуквенного кода уже не хватало, и нашим далеким предкам пришлось пожертвовать скрепами и расширить свой алфавит.

То, что некоторые кодоны отличаются лишь последней аминокислотой, дает нам особую устойчивость. Если при копировании ДНК будет совершена ошибка, и если наши инструменты коррекции ее пропустят, то например вместо ЦЦЦ будет ЦЦТ или ЦЦА — а нам-то всё равно! Потому что все эти кодоны соответствуют одной и той же аминокислоте — пролину, и белок будет построен в этом месте правильно.

Благодаря тому, что все живые существа Земли используют именно этот генетический код (есть некоторые исключения в мире микроорганизмов), и становится возможным обмен генами между разными видами. Можно поместить ДНК одного существа в клетку другого, и она будет успешно прочитана, и по ней начнется производство совершенно конкретных белков или РНК. Так поступают бактерии, обменивающиеся друг с другом генами в процессе горизонтального переноса. Так поступают вирусы, впрыскивая свою ДНК в клетку другого организма. Единство генетического языка приводит к тому, что жизнь на Земле пребывает в состоянии удивительной физиологической гармонии (эту фразу могут пропустить те, у кого сегодня болит живот).

Теперь ты имеешь самые базовые познания о генетическом коде, и другие наши статьи про работу генов, белков, РНК и т.д. будет понимать намного легче.

Основные понятия и ключевые слова к теме:

Нуклеиновая кислота Нуклеотид

Азотистые основания Репликация

Генетическая информация Ген

Транскрипция Генетический код

Кодон, генетический антикодон Трансляция

Аминокислота Биосинтез белка

Полимераза

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф. Гриффит обнаружил у пневмококков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Природа трансформирующего агента была установлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации.

Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в аперльском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной биологии, изучающей основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.

Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового: цитонин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО - 3). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360 о, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 градусов вокруг спирали относитльно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 34нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что количественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

А=Т; Г=Ц или А+Г/Ц+Т=1

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5’ положения одного пентозного конца и 3’ положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5’ – 3’ связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5’ конца к 3’ концу – такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3’-5’ считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарны пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити. Следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК. Полиморфизм ДНК – это способность молекулы принимать различные конфигурации.

Знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, должна предаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортировалась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вторых, еще более важным казалось то, что сахарофосфатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сходны и было бы легко представить себе, как происходит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочной ДНк с образованием нестабильных гибридных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:

транскрипция трансляция

Репликация ДНК---------→ РНК---------→ белок,

где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репликация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных цепей белков в процессе, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.

РНК – рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

q углеводом РНК, к которому присоединяются пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;

q в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молекуле РНК занимает урацил;

q РНК – одноцепочечная молекула;

q так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, может не выполняться по равенству содержания оснований.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках как про- так и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа гетерогенная ядерная РНк (гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК.

Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемых антикодонами. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК.

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, Ц, Г. Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г.Гамовым. основные свойства кода триплетность и вырожденность выявили в 1961 г. Ф. Крик и С. Бреннер.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Система, содержащая искусственную мРНК, состоящую только из урациловых нуклеотидов, синтезировала полипептидную цепь, состоящую только из фенилаланина (в ДНК кодом для нее должен быть комплементарный триплет нуклеотидов – ААА). К 1965 г. был расшифрован полностью весь генетический код. Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами.

В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода – секвенирования.

Свойства генетического кода.

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

2. Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (аминокислот – 20, а триплетов – 64), исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета УАА, УАГ, УГА – это стоп-сигналы (терминирующие кодоны), прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.

3. Однозначность – каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота.

4. Генетический код не перекрываем – процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков вплоть до нонсенс-кодонов.

5. Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации кодируется одинаково.

Матричные процессы в клетке.

Существуют три типа матричных процессов в клетках: репликация, транскрипция и трансляция.

Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией, которая должна передаваться полностью и с очень высокой точностью.

Репликация – удвоение ДНК, происходящее в синтетическую (S) стадию интерфазы пред каждым делением клетки.

Консервативная репликация. Исходная двухцепочная молекула ДНК служит матрицей для образования совершенно новой двухцепочечной молекулы, нацело достраивающейся на исходной.

Полуконсервативная репликация. Две нити ДНК расплетаются (как застежка - молния). Каждая цепь служит матрицей для образования новой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним тут же присоединяются свободные нуклеотиды, раннее синтезированные в цитоплазме. В результате каждая половинная спираль снова становиться целой, и вместо одной молекулы получаются две, в результате чего хромосома становится двухроматидной.

Дисперсионная репликация. Исходная ДНК распадается на короткие разной длины фрагменты, используемы в качестве матриц для постоения фрагментов двух новых двойных спиралей, которые затем воссоздаются в единую структуру молекулы. Образованные молекулы ДНК содержат старые и новые фрагменты.

М.Мезельсон и Ф. Сталь , используя авторадиографический метод, показали, что полуконсервативный метод репликации характерен для всех эукариот и большинства прокариот.

В 1955 г. А. Корнберг и его коллеги из Стенфордского университета открыли фермент, который обеспечивает репликацию ДНК, и назвали его полимеразой .

На современном этапе среди ферментов, участвующих в синтезе ДНК, выделены ДНК-полимеразы I, II, III , обладающие 5’→ 3’ полимеразной активностью.

Поскольку ДНК- полимеразы катализируют репликацию только в направлении 5’→ 3’, а цепи родительской ДНК антипараллельны, только одна из новых цепей синтезируется непрерывно. Эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь, называемая отстающей, синтезируется в виде фрагментов ДНК – фрагменты Оказаки , которые у эукариот имеют последовательность 100-200 нуклеотидов. Эти фрагменты лигируются (сшиваются) полинуклеотидлигазами, и образуется непрерывная цепь. Этот процесс называется созреванием. Синтез каждого фрагмента Оказаки (3’→ 5’) начинается на маленьком фрагменте РНК (около 10-60 нуклеотидов), который удаляется еще до окончания считывания фрагмента. Это так называемая затравка, или праймер .

В любой клетке человека под влиянием различных факторов в ДНК ежедневно происходят тысячи случайных изменений, а за год в каждой клетке накапливается лишь очень небольшое число стабильных изменений нуклеотидной последовательности ДНК. Среди множественных случайных замен оснований в ДНК лишь одна на тысячу приводит к возникновению мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидируются в процессе репарации ДНК. Механизм репарации («залечивание» повреждений ДНК) основан на том, что молекула ДНК имеет две копии генетической информации – по одной в каждой из нитей молекулы. Основной путь репарации включает три этапа:

1. Измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. В спирали ДНК в этом месте возникает брешь;

2. ДНК –полимераза и гликозилазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити;

3. ДНК – лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы.

Транскрипция (переписывание) – синтез на ДНк-матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в релаксированном состоянии. Это первый этап белкового синтеза. Матричная РНК (мРНК) содержит генетическую инструкцию по синтез определенного полипептида и переносит ее к белоксинтезирующему аппарату клетки, находящемуся в рибосомах цитоплазмы клеток.

Для инициации транскрипции необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором . Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК – это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом , в результате которого молекулы подвергаются модификации по 5’→ 3’ концам и сплайсингу. Сплайсинг гетерогенной ядерной РНК это удаление последовательностей РНК, соответствующих интронам ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов.

Трансляция (перевод) – процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденсацией отдельных аминокислотных остатков, начиная с аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу.

Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс трансляции – декодирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декодирования осуществляется от 5’→ 3’ и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой .

Трансляция начинается со старого кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК (тРНК), специфичная к данной аминокислоте. тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчастице, образует связь кодон – антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединице. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той тРНК, которая преносит метионин. Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома – инициирующий комплекс.

Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) была открыта в 1984 г. Кэри

Б. Мюллисом. Она основана на том, что новосинтезируемые цепи нуклеиновых кислот могут служить матрицами в следующих циклах репликации:

q двухспиральная ДНК при нагревании разделяется на состовляющие одноцепочные цепи и в таком состоянии может служить матрицей для репликации;

q одноцепочные нити ДНК инкубируются в присутствии ДНК-полимеразы и раствора, содержащего смесь всех 4 нуклеотидов, а также специфические последовательности ДНК (праймеры), что приводит к синтезу копий двух молекул ДНК.

Затем процедуры повторяются сначала, и происходит копирование как старых, так и новых одноцепочечных цепей с образованием третьей и четвертой молекулы ДНК, затем все четыре снова копируются и тд. В результате 20-30 циклов амплифицируется (увеличивается число копий) эффективное количество ДНК. Отдельный цикл занимает около 5 мин, а для бесклеточного молекулярного клонирования фрагмента ДНК требуется всего несколько часов.

Метод ПЦР отличается очень высокой чувствительностью: он позволяет обнаружить в пробе всего одну присутствующую в ней молекулу ДНК. Метод получил широкое использование в пренатальной диагностике наследственных болезней, выявлении вирусных инфекций, а также в судебной медицине, поскольку дает возможность проводить генетическую «дактилоскопию» даже по одной единственной клетке.

Клеймо создателя Филатов Феликс Петрович

Глава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)

Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)

Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько заинтриговавшее его начало книжки оборачивается страницами из учебника для старших классов, способными привести в уныние любого, кто вспомнит родную школу. Искушенному же Читателю, напротив, все рассказанное хорошо известно, и он, грешным делом, подумывает, не написать ли самому учебник посвежее – для тех же старших классов. Не мысля гордый свет забавить – другими словами, не имея намерения вогнать в скуку того и другого, Автор хотел бы подчеркнуть, что понимает: дьявол скрывается в деталях. Но их так много в молекулярной биологии, что любая формализация кажется возмутительным упрощением. Однако, часто бывает, что соблазн формализации неодолим, и тут Автор не может отказать себе в удовольствии еще раз процитировать испанского философа Хосе Ортегу-и-Гассета:

«Серый цвет аскетичен. Такова его символика в обыденном языке, на этот символ и намекает Гете: „Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо“. Самое большее, на что способен цвет, не желающий быть цветом, – стать серым; зато жизнь представляется зеленым деревом – какая экстравагантность!.. Элегантное желание предпочесть серый цвет чудесной и противоречивой цветовой экстравагантности жизни приводит нас к теоретизированию. В теории мы обмениваем реальность на тот ее аспект, каким являются понятия. Вместо того чтобы в ней жить, мы о ней размышляем. Но как знать, не скрывается ли за этим явным аскетизмом и удалением от жизни, каким является чистое мышление, наиболее полная форма жизненности, ее высшая роскошь?»

– Браво, Хосе! Именно так я и думаю – даже убежден в этом.

Формализации, теоретизированию, схемам, дизайну генетического кода посвящена основная, хотя и меньшая по объему, оставшаяся часть книги, к которой Автор сейчас переходит. Первая формальная гипотеза структуры генетического кода представляет собой возможный ответ на вопрос, почему кодируемых аминокислот именно двадцать .

В 1954 году Гамов первым показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации ». Он был первым, кто предположил кодирование аминокислот триплетами нуклеотидов и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых уч?ных дожив?т до его [генетического кода] расшифровки» . В 1968 году американцы Роберт Холли, Хар Корана и Маршалл Ниренберг получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода. Премия была присуждена уже после смерти Георгия Гамова в том же году четырьмя месяцами ранее.

Числа 64 (теоретическая емкость кода) и 20 (фактическая кодирующая емкость, то есть количество кодируемых аминокислот) составляют соотношение правил комбинаторики для размещений и сочетаний с повторами: число А размещений (упорядоченных наборов) с повторами из r (r = 3; размер кодона) элементов множества М, содержащего k (k = 4; число оснований) элементов, равно

A k r = k r = A 4 3 = 64,

а число С сочетаний с повторами из k элементов по r, т. е. любое подмножество из 3 элементов множества, содержащего 4 элемента, равно:

С k r = [(k+r-1)!] : = С 4 3 = 20.

Это немедленно подводит к мысли о том, что эволюция генетического кода могла начаться с этапа «наборного» кодирования, когда продукт кодировался не последовательностью оснований триплета, а их набором, то есть две такие группы кодонов, как например, САА , АСА , ААС или TGC , TCG , GCT , GTC , CTG , CGT были функционально равнозначны (внутри группы) и направляли синтез одной и той же аминокислоты каждый. Подобные соображения приходят в голову при чтении работ Ишигами и Нагано (1975) – с их идеей о том, что каждая первичная аминокислота могла соответствовать широкому набору кодонов, а также Фолсома (1977) и Трейнора (1984) – с их идеей пермутации оснований в рамках триплета. Очевидно, что меньшее число кодонов не обеспечивало необходимого разнообразия продуктов, а бо льшее было избыточно и, по крайней мере, не соответствовало числу известных сегодня аминокислот. В свое время мы также внесли (очень) скромную лепту в эти идеи, отметив, что число сочетаний из 4 по 3 с повторами иллюстрируется числом квантовых состояний Бозе-газа из трех частиц с четырьмя вероятными собственными квантовыми состояниями54.

Позднее Гамов предложил схему реализации генетического кода, которая предусматривала сборку полипептида непосредственно на молекуле ДНК. По этой модели, каждая аминокислота помещается в ромбической выемке между четырьмя нуклеотидами, по два от каждой из комплементарных цепей. Хотя такой ромб состоит из четыр?х нуклеотидов и, следовательно, число сочетаний равно 256, из-за ограничений, связанных с водородными связями нуклеотидных остатков, возможными оказываются как раз 20 вариантов таких ромбов. Эта схема, получившая название бубнового кода , предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, однако, что эта модель Гамова также не согласуется с опытными данными.

Если бы емкость генетического кода использовалась без остатка, то есть каждому триплету соответствовала бы только одна аминокислота, его защищенность была бы весьма сомнительна: любая нуклеотидная мутация могла оказаться катастрофической. В случае же действующей версии треть случайных точечных мутаций приходится на последние буквы кодонов, половина которых (кодоны октета I ) к мутациям не чувствительна вовсе: третья буква кодона может быть любой из четырех – T , C , A или G . Устойчивость к точечным мутациям кодонов октета II в значительной степени определяется двумя факторами – (1) возможностью произвольной замены третьего основания (правда, уже при выборе только из двух – либо пуринов, либо пиримидинов), не меняющей кодируемой аминокислоты вовсе, и (2) возможностью замены пуринов на пиримидины и наоборот, которая сохраняет близкую гидрофильность/гидрофобность продуктов, хотя и не сохраняет их массы. Таким образом, Природа использует чрезвычайно удачный «люфт», называемый вырожденностью кода, когда кодируемому знаку соответствует более, чем один кодирующий.

Эволюция последовательно уточняла функции каждого из трех оснований кодона, что, в конечном счете, привело строгой триплетности только двух кодонов: ATG – для M (метионина) и TTG – для W (триптофана). По способности триплета кодировать только одну аминокислоту отнесем эти два к группе вырожденности I . Когда продукт кодируется фиксированным дублетом оснований, а третье может быть любым из четырех возможных и фактически служит разделителем между функциональными дублетами, говорят об аминокислотах группы вырожденности IV ; таких аминокислот восемь: аланин, A , аргинин, R , валин, V , глицин, G , лейцин, L , пролин, P , серин, S , треонин, T . Обобщенный кодон для каждой аминокислоты этой группы, например, лейцина, записывается так: СТ N (N -произвольное основание).

Двенадцать кодируемых продуктов относятся к группе вырожденности II ; в этой группе третье основание – одно из двух (а не из четырех , как в предыдущем случае): это пурин (R ), то есть, либо аденин, А , либо гуанин, G , – или пиримидин (Y ), то есть, либо цитозин, С , либо тимидин, Т . К этой группе относятся три аминокислоты, знакомые нам по четвертой группе вырожденности, – аргинин, лейцин и серин, но кодируемые здесь другими дублетами, две пары – аспарагин/аспарагиновая кислота (N/D ), и глутамин/глутаминовая кислота (Q/E ), а также гистидин H , лизин K , и тирозин Y . Универсальный генетический код относит к этой группе также цистеин С , с его двумя кодирующими триплетами – TGC и TGT , то есть, с третьим пиримидином, а также три стоп-кодона, TAG , TAA и TGA , которые работают только как пунктуационные знаки, фиксирующие окончание гена, но не кодирующие никакой аминокислоты. Обобщенный кодон для аминокислот этой группы, например, аспарагина, записывается так: AAY , а аспарагиновой кислоты – GAR .

Наконец, группа вырожденности III содержит изолейцин, кодируемый тремя триплетами ATA , ATC и ATT . Основания А , С и Т , третьи в кодонах для I , имеют общий символ Н , поэтому обобщенный изолейциновый кодон записывается так: АТН . Все эти особенности кода хорошо иллюстрирует приведенная выше его таблица.

Любопытно, что молекулярная масса кодируемой аминокислоты находится в обратной зависимости от номера группы вырожденности, к которой она относится (В. Щербак). Это первое, отмечаемое здесь, свидетельство очевидной причастности молекулярной массы компонентов генетического кода к его рациональной организации.

В приведенной табличке упорядоченность по нарастанию молекулярной массы относится к аминокислотам в составе упорядоченных по номерам групп вырожденности (римские цифры), сгруппированным в два октета (арабские цифры). При этом позиция цистеина С скорректирована, о чем речь будет идти в следующей главе; там же мы расскажем и об октетах.

Возвращаясь к выбору именно двадцати аминокислот для кодирования, стоит отметить еще одно интересное обстоятельство: этот выбор мог определяться также квантовой теорией информации, которая предлагает оптимальный алгоритм (алгоритм Гровера) упаковки и чтения информационного содержания ДНК (Апурва Патель, 2001). Такой алгоритм определяет число объектов N , различаемое числом ответов да/нет на вопросы Q , следующим образом:

(2Q +1) sin -1 (1 / ?N) = ? /2 .

Решения этого уравнения для малых значений Q весьма характерны:

Q = 1lnN = 04.0

Q = 2lnN = 10.5

Q = 3lnN = 20.2.

Теоретически эти значения не обязательно должны быть целыми числами. Любопытно, что в первом приближении они соответствуют последовательности тетраэдрических чисел, а также эволюции функционального размера кодона от синглетного к триплетному. Другими словами, тетраэдр также можно построить из десяти и из четырех мономеров; эти числа и отмечены в решениях приведенного уравнения. Позднее мы покажем, что комбинация размерных параметров аминокислот и нуклеотидов, базирующаяся на предложенных нами правилах, приводит к пространственному равновесию тетраэдра из двадцати мономеров, соответствующих этим аминокислотам. Здесь же стоит, пожалуй, вспомнить актуальные до сих пор слова В?зе (1973): «Представляется почти жестокой шуткой, что Природа выбрала такое число [кодируемых ] аминокислот, какое легко получается в результате множества

математических операций ». Но, так или иначе, двадцати альфа-аминокислот (из сотен, встречающихся в природе) оказалось довольно для обеспечения необходимого разнообразия белков.

…………………

Число 496 , которым обозначена эта глава, интересно тем, что оно относится к классу так называемых совершенных чисел , и это единственное трехзначное совершенное число. Совершенным называют натуральное число, равное сумме всех своих собственных делителей (т. е. всех положительных делителей, отличных от самого? числа). Сумма всех делителей числа 496 , то есть, 1+2+4+8+16+31+62+124+248, равна ему самому. Мы вспомнили о совершенных числах и отмечаем уникальность именно этого числа, потому что оно, во-первых, трехзначно – как трехзначны кодирующие элементы, о которых мы говорим, а во-вторых, как и все предыдущие упомянутые здесь числа, оно – случайно или нет – характеризует один из формальных параметров генетического кода, о которых мы будем говорить дальше. Терпение читателя небезгранично, и Автор вспоминает в связи с этим выдержку из письма одного из читателей известному популяризатору математики Мартину Гарднеру: Перестаньте отыскивать интересные числа! Оставьте для интереса хотя бы одно неинтересное число ! Но соблазн велик, и трудно удержаться.

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора

Из книги Путешествие в прошлое автора Голосницкий Лев Петрович

Двадцать пять миллионов лет назад Жарко в июльский полдень в казахстанской степи. Все залито солнечным блеском: холмистая равнина, расположенные во впадинах и окаймленные камышом озера, желтые участки песков, поросшие саксаулом.Холмы обрываются в сторону озер крутыми

Из книги Фармацевтическая и продовольственная мафия автора Броуэр Луи

Двадцать основных причин освобождения от армейской службы во всех призывных пунктах за 1986 г. №п/п Заболевания и патологические состояния Число лиц, освобожденных от армейской службы Отношение лиц, освобожденных от армейской службы, - к лицам, годным к службе,

Из книги КЛЕЙМО СОЗДАТЕЛЯ. Гипотеза происхождения жизни на Земле. автора Филатов Феликс Петрович

Глава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII) Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько

Из книги Пароль скрещенных антенн автора Халифман Иосиф Аронович

ДВАДЦАТЬ ПЯТЬ ЛЕТ СПУСТЯ ПРОХОДЯТ годы, и крохотная, величиной с наперсток, затерянная в почве зародышевая камера разрастается, становится заметным холмиком. Он наглухо облицован сверху глиной, песком, цементом, и в этой мертвой снаружи и немой, как камень, глыбе течет

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович

Что означает выражение «двадцать пятый кадр»? Впервые этот термин появился в середине минувшего столетия в США и относился к кино. Дело в том, что киносъемочная камера и соответственно проекционный киноаппарат продвигают пленку со скоростью 24 кадра в секунду. Но в 1957

Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович

Из книги автора

Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и

Из книги автора

Всасывание аминокислот. Происходит путем активного транспорта с участием переносчиков. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30–50 мин после приема белковой пищи. Перенос через щеточную каемку осуществляется целым рядом переносчиков, многие

Из книги автора

Наследственные нарушения транспорта аминокислот Болезнь Хартнупа – нарушение всасывания триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. Так как триптофан служит исходным продуктом для синтеза витамина РР, то основные проявления болезни Хартнупа –

Из книги автора

Пути обмена аминокислот в тканях Аминокислоты – это бифункциональные соединения, содержащие аминную и карбоксильную группу. Реакции по этим группам являются общими для различных аминокислот. К ним относят:1. по аминной группе – реакции дезаминирования и

Из книги автора

Трансаминирование аминокислот Трансаминирование – реакции переноса a-аминогруппы с аминокислоты на a-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы. Это сложные ферменты, коферментом

Из книги автора

Дезаминирование аминокислот Дезаминирование аминокислот – реакция отщепления a-аминогруппы от аминокислоты с выделением аммиака. Различают два типа реакций дезаминирования: прямое и непрямое.Прямое дезаминирование – непосредственное отщепление аминогруппы от

Из книги автора

Непрямое дезаминирование аминокислот Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно глутамату. Аминогруппы таких аминокислот перносятся на?-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому

Из книги автора

Декарбоксилирование аминокислот Некоторые аминокислоты и их производные могут подвергаться декарбоксилированию. Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами, нуждающимися в пиридоксальфосфате в качестве кофермента.

Из книги автора

Глава 25. Метаболизм отдельных аминокислот Метаболизм метионина Метионин – незаменимая аминокислота. Метильная группа метионина – мобильный одноуглеродный фрагмент, используемый для синтеза ряда соединений. Перенос метильной группы метионина на соответствующий