Кодирование днк. Что такое генетический код: общие сведения. фаза нормальной активности

Под генетическим кодом принято понимать такую систему знаков, обозначающих последовательное расположение соединений нуклеотидов в ДНКа и РНКа, которая соответствует другой знаковой системе, отображающей последовательность аминокислотных соединений в молекуле белка.

Это важно!

Когда учёным удалось изучить свойства генетического кода, одним из главных была признана универсальность. Да, как ни странно это звучит, все объединяет один, универсальный, общий генетический код. Формировался он на протяжении большого временного промежутка, и процесс закончился около 3,5 миллиардов лет назад. Следовательно, в структуре кода можно проследить следы его эволюции, от момента зарождения до сегодняшнего дня.

Когда говорится о последовательности расположения элементов в генетическом коде, имеется в виду, что она далеко не хаотична, а имеет строго определённый порядок. И это тоже во многом определяет свойства генетического кода. Это равнозначно расположению букв и слогов в словах. Стоит нарушить привычный порядок, и большинство того, что мы будем читать на книжных или газетных страницах, превратится в нелепую абракадабру.

Основные свойства генетического кода

Обычно код несёт в себе какую-либо информацию, зашифрованную особым образом. Для того чтобы расшифровать кода, необходимо знать отличительные особенности.

Итак, основные свойства генетического кода - это:

триплетность;
вырожденность или избыточность;
однозначность;
непрерывность;
уже указанная выше универсальность.

Остановимся подробнее на каждом свойстве.

1. Триплетность

Это когда три соединения нуклеотидов образуют последовательную цепочку внутри молекулы (т.е. ДНК или же РНК). В результате создаётся соединение триплета или кодирует одну из аминокислот, место её нахождения в цепи пептидов.

Различают кодоны (они же кодовые слова!) по их последовательности соединения и по типу тех азотистых соединений (нуклеотидов), которые входят в их состав.

В генетике принято выделять 64 кодоновых типа. Они могут образовывать комбинации из четырёх типов нуклеотидов по 3 в каждом. Это равносильно возведению числа 4 в третью степень. Таким образом, возможно образование 64-х нуклеотидных комбинаций.

2. Избыточность генетического кода

Это свойство прослеживается тогда, когда для шифрования одной аминокислоты требуется несколько кодонов, обычно в пределах 2-6. И только и триптофана можно кодировать с помощью одного триплета.

3. Однозначность

Она входит в свойства генетического кода как показатель здоровой генной наследственности. Например, о хорошем состоянии крови, о нормальном гемоглобине может рассказать медикам стоящий на шестом месте в цепочке триплет ГАА. Именно он несёт информацию о гемоглобине, и им же кодируется А если человек болен анемией, один из нуклеотидов заменяется на другую букву кода - У, что и является сигналом заболевания.

4. Непрерывность

При записи этого свойства генетического кода следует помнить, что кодоны, как звенья цепочки, располагаются не на расстоянии, а в прямой близости, друг за другом в нуклеиновой кислотной цепи, и цепь эта не прерывается - в ней нет начала или конца.

5. Универсальность

Никогда не следует забывать, что всё сущее на Земле объединено общим генетическим кодом. И потому у примата и человека, у насекомого и птицы, столетнего баобаба и едва проклюнувшейся из-под земли травинки одинаковыми триплетами кодируются схожие аминокислоты.

Именно в генах заложена основная информация о свойствах того или иного организма, своего рода программа, которую организм получает в наследство от живших ранее и которая существует как генетический код.

Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.

Свойства генетического кода.

Генетический код имеет несколько свойств.

Триплетность.

Вырожденность или избыточность.

Однозначность.

Полярность.

Неперекрываемость.

Компактность.

Универсальность.

Следует отметить, что некоторые авторы предлагают ещё и другие свойства кода, связанные с химическими особенностями входящих в код нуклеотидов или с частотой встречаемости отдельных аминокислот в белках организма и т.д. Однако эти свойство вытекают из вышеперечисленных, поэтому там мы их и рассмотрим.

а. Триплетность. Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет – это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.

Элементарную структурную единицу вначале расшифровали теоретически, а затем её существование подтвердили экспериментально. И действительно, 20 аминокислот невозможно закодировать одним или двумя нуклеотидом т.к. последних всего 4. Три нуклеотида из четырёх дают 4 3 = 64 варианта, что с избытком перекрывает число имеющихся у живых организмах аминокислот (см.табл. 1).

Представленные в таблице 64 сочетания нуклеотидов имеют две особенности. Во-первых, из 64 вариантов триплетов только 61 являются кодонами и кодируют какую либо аминокислоту, их называют смысловые кодоны . Три триплета не кодируют

аминокислот а являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА , их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называютнонсенс-мутация . Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться – синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» — Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).

Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие тРНК. Для нонсенс-кодонов тРНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка тРНК не принимает участие.

Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции .

б. Вырожденность или избыточность.

61 из 64 триплетов кодируют 20 аминокислот. Такое трёхразовое превышение числа триплетов над количеством аминокислот позволяет предположить, что в переносе информации могут быть использованы два варианта кодирования. Во-первых, не все 64 кодона могут быть задействованы в кодировании 20 аминокислот, а только 20 и, во-вторых, аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами. Исследования показали, что природа использовала последний вариант.

Его предпочтение очевидно. Если бы из 64 варианта триплетов в кодировании аминокислот участвовало только 20, то 44 триплета (из 64) оставались бы не кодирующими, т.е. бессмысленными (нонсенс-кодонами). Ранее мы указывали, насколько опасно для жизнедеятельности клетки превращение кодирующего триплета в результате мутации в нонсенс-кодон — это существенно нарушает нормальную работу РНК-полимеразы, приводя в конечном итоге к развитию заболеваний. В настоящее время в нашем геноме три кодона являются бессмысленными, а теперь представьте, что было бы если число нонсенс-кодонов увеличится в примерно в 15 раз. Понятно, что в такой ситуации переход нормальных кодонов в нонсенс-кодоны будет неизмеримо выше.

Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. Так, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валин кодируется четырьмя триплетами, фенилаланин - двумя и только триптофан и метионин кодируются одним кодоном. Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит названиевырожденность.

Число кодонов, предназначенных для одной аминокислоты, хорошо коррелируется с частотой встречаемости аминокислоты в белках.

И это, скорее всего, не случайно. Чем больше частота встречаемости аминокислоты в белке, тем чаще представлен кодон этой аминокислоты в геноме, тем выше вероятность его повреждения мутагенными факторами. Поэтому понятно, что мутированный кодон имеет больше шансов кодировать туже аминокислоту при высокой его вырожденности. С этих позиций вырожденность генетического кода является механизмом защищающим геном человека от повреждений.

Необходимо отметить, что термин вырожденность используется в молекулярной генетики и в другом смысле. Так основная часть информации в кодоне приходится на первые два нуклеотида, основание в третьем положении кодона оказывается малосущественным. Этот феномен называют “вырожденностью третьего основания”. Последняя особенность сводит до минимума эффект мутаций. Например, известно, что основной функцией эритроцитов крови является перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Осуществляет эту функцию дыхательный пигмент - гемоглобин, который заполняет всю цитоплазму эритроцита. Состоит он из белковой части – глобина, который кодируется соответствующим геном. Кроме белка в молекулу гемоглобина входит гем, содержащий железо. Мутации в глобиновых генах приводят к появлению различных вариантов гемоглобинов. Чаще всего мутации связаны с заменой одного нуклеотида на другой и появлением в гене нового кодона , который может кодировать новую аминокислоту в полипептидной цепи гемоглобина. В триплете, в результате мутации может быть заменён любой нуклеотид – первый, второй или третий. Известно несколько сотен мутаций, затрагивающих целостность генов глобина. Около400 из них связаны с заменой единичных нуклеотидов в гене и соответствующей аминокислотной заменой в полипептиде. Из них только100 замен приводят к нестабильности гемоглобина и различного рода заболеваниям от легких до очень тяжелых. 300 (примерно 64%) мутаций-замен не влияют на функцию гемоглобина и не приводят к патологии. Одной из причин этого является упомянутая выше “вырожденность третьего основания”, когда замена третьего нуклеотида в триплете кодирующем серин, лейцин, пролин, аргинин и некоторые другие аминокислоты приводит к появлению кодона-синонима, кодирующего ту же аминокислоту. Фенотипически такая мутация не проявится. В отличие от этого любая замена первого или второго нуклеотида в триплете в 100 % случаях приводит к появлению нового варианта гемоглобина. Но и в этом случае тяжёлых фенотипических нарушений может и не быть. Причиной этому является замена аминокислоты в гемоглобине на другую сходную с первой по физико-химическим свойствам. Например, если аминокислота, обладающая гидрофильными свойствами, заменена на другую аминокислоту, но с такими же свойствами.

Гемоглобин состоит из железопорфириновой группы гема (к ней и присоединяются молекулы кислорода и углекислоты) и белка - глобина. Гемоглобин взрослого человека (НвА) содержит две идентичные  -цепи и две  -цепи. Молекула  -цепи содержит 141 аминокислотных остатков,  -цепочка - 146,  — и  -цепи различаются по многим аминокислотным остаткам. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Ген, кодирующий  -цепь располагается в коротком плече 16 хромосомы,  -ген - в коротком плече 11 хромосомы. Замена в гене, кодирующем  -цепь гемоглобина первого или второго нуклеотида практически всегда приводит к появлению в белка новых аминокислот, нарушению функций гемоглобина и тяжёлым последствия для больного. Например, замена “Ц” в одном из триплетов ЦАУ (гистидин) на “У” - приведет к появлению нового триплета УАУ, кодирующего другую аминокислоту - тирозин Фенотипически это проявится в тяжёлом заболевании.. Аналогичная замена в 63 положении  -цепи полипептида гистидина на тирозин приведет к дестабилизации гемоглобина. Развивается заболевание метгемоглобинемия. Замена, в результате мутации, глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении  -цепи является причиной тяжелейшего заболевания - серповидно-клеточной анемии. Не будем продолжать печальный список. Отметим только, что при замене первых двух нуклеотидов может появится аминокислота по физико-химическим свойствам похожая на прежнюю. Так, замена 2-го нуклеотида в одном из триплетов, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА) в  -цепи на “У” приводит к появлению нового триплета (ГУА), кодирующего валин, а замена первого нуклеотида на “А” формирует триплет ААА, кодирующий аминокислоту лизин. Глутаминовая кислота и лизин сходны по физико-химическим свойствам - они обе гидрофильны. Валин - гидрофобная аминокислота. Поэтому, замена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин, значительно меняет свойства гемоглобина, что, в конечном итоге, приводит к развитию серповидноклеточной анемии, замена же гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофильный лизин в меньшей степени меняет функцию гемоглобина - у больных возникает легкая форма малокровия. В результате замены третьего основания новый триплет может кодировать туже аминокислоты, что и прежней. Например, если в триплете ЦАУ урацил был заменён на цитозин и возник триплет ЦАЦ, то практически никаких фенотипических изменений у человека выявлено не будет. Это понятно, т.к. оба триплета кодируют одну и туже аминокислоту – гистидин.

В заключении уместно подчеркнуть, что вырожденность генетического кода и вырожденность третьего основания с общебиологических позиция являются защитными механизмами, которые заложены в эволюции в уникальной структуре ДНК и РНК.

в. Однозначность.

Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный).

Однозначен

Кодон аминокислота

Вырожденный

И в этом случае необходимость однозначности в генетическом коде очевидна. При другом варианте при трансляции одного и того же кодона в белковую цепочку встраивались бы разные аминокислоты и в итоге формировались белков с различной первичной структурой и разной функцией. Метаболизм клетки перешёл бы в режим работы «один ген – несколько поипептидов». Понятно, что в такой ситуации регулирующая функция генов была бы полностью утрачена.

г. Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). Ранее мы говорили о том, что структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка. Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).

Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур.

д. Неперекрываемость.

Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов.

Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона. Если бы код был перекрывающим, то последовательность из семи нуклеотидов (ГЦУГЦУГ) могла кодировать не две аминокислоты (аланин-аланин) (рис.33,А) как в случае с не перекрывающимся кодом, а три (если общим является один нуклеотид) (рис. 33, Б) или пять (если общими являются два нуклеотида) (см. рис. 33, В). В последних двух случаях мутация любого нуклеотида привела бы к нарушению в последовательности двух, трёх и т.д. аминокислот.

Однако установлено, что мутация одного нуклеотида всегда нарушает включение в полипептид одной аминокислоты. Это существенный довод в пользу того, что код является не перекрывающимся.

Поясним это на рисунке 34. Жирными линиями показаны триплеты кодирующие аминокислоты в случае не перекрывающегося и перекрывающегося кода. Эксперименты однозначно показали, что генетический код является не перекрывающимся. Не вдаваясь в детали эксперимента отметим, что если заменить в последовательности нуклеотидов (см. рис.34) третий нуклеотид У (отмечен звёздочкой) на какой-либо другой то:

1. При неперекрывающемся коде контролируемый этой последовательностью белок имел бы замену одной (первой) аминокислоте (отмечена звёздочками).

2. При перекрывающемся коде в варианте А произошла бы замена в двух (первой и второй) аминокислотах (отмечены звёздочками). При варианте Б замена коснулась бы трёх аминокислот (отмечены звёздочками).

Однако многочисленные опыты показали, что при нарушении одного нуклеотида в ДНК, нарушения в белке всегда касаются только одной аминокислоты, что характерно для неперекрывающегося кода.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

*** *** *** *** *** ***

Аланин – Аланин Ала – Цис – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей

А Б В

Не перекрывающийся код Перекрывающийся код

Рис. 34. Схема, объясняющая наличие в геноме не перекрывающегося кода (объяснение в тексте).

Неперекрываемость генетического кода связана с ещё одним свойством – считывание информации начинается с определённой точки – сигнала инициации. Таким сигналом инициации в иРНК является кодон, кодирующий метионин АУГ.

Следует отметить, что у человека всё-таки имеется небольшое число генов, которые отступают от общего правила и перекрываются.

е. Компактность.

Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.

ж. Универсальность.

Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений. Есть и исключения, но их не много.

Первые исключения из универсальности генетического кода были обнаружены в митохондриях некоторых видов животных. Это касалось кодона терминатора УГА, который читался так же как кодон УГГ, кодирующий аминокислоту триптофан. Были найдены и другие более редкие отклонения от универсальности.

Кодовая система ДНК.

Генетический код днк состоит из 64 триплетов нуклеотидов. Эти триплеты называют кодонами. Каждый кодон кодирует одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белков. Это дает некоторую избыточность в коде: большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном.
Один кодон выполняет две взаимосвязанные функции: сигнализирует о начале перевода и кодирует включения аминокислоты метионина (Met) в растущую полипептидную цепь. Кодовая система днк устроена так, что генетический код может быть выражен либо как РНК-кодонами, либо кодонамиДНК. РНК-кодоны встречаются в РНК (мРНК) и эти кодоны способны читать информацию в процессе синтеза полипептидов (процесс, называемый переводом). Но каждая молекула мРНК приобретает последовательность нуклеотидов в транскрипции с соответствующего гена.

Все, кроме двух аминокислот (Met и Trp) могут быть закодированы посредством от 2 до 6 различных кодонов. Тем не менее, геном большинства организмов показывает, что определенные кодоны предпочтительны по сравнению с другими. У человека, например, аланин кодируется GCC четыре раза чаще, чем в GCG. Это, вероятно, свидетельствует о большей эффективности перевода аппарата трансляции (например, рибосомы) для некоторых кодонов.

Генетический код является почти универсальным. Те же кодоны назначены на тот же участок аминокислот и тем же сигналы пуска и остановки в подавляющем большинстве совпадают у животных, растений и микроорганизмов. Тем не менее, некоторые исключения были найдены. Большинство из них включают назначение одного или двух из трех стоп-кодонов к аминокислоте.

Между молекулами ДНК и РНК имеются три основных отличия.

ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК – рибозу.

В молекуле ДНК нуклеотид, комплементарный (соответствующий) аденину, ‒ тимин, а в молекуле РНК – урацил.

ДНК имеет форму двойной спирали, РНК ‒ одинарной. РНК, как правило, короче.

6. Генетический код Что такое код

Код – это правило, которое ставит каждому конкретному сообщению строго определенную комбинацию символов.

Проще всего показать это с помощью какого-либо слова. Например, понятие жилища для одного человека или группы людей кодируется словом, состоящим из трех букв – «дом».

Закодированную информацию легко хранить, обрабатывать, копировать, передавать.

Генетический код

Информация о последовательности аминокислот в белке кодируется с помощью языка нуклеотидов. В этом языке четыре буквы ‒ четыре азотистых основания ‒ аденин, тимин, гуанин и цитозин. С их помощью надо назвать 20 аминокислот. Если мы будем использовать слова, состоящие только из одной буквы, то сможет образовать только четыре слова – А, Т, Г и Ц. 4 = 4 1 . Этого, конечно, мало. Если наши слова будут состоять из двух букв, мы сможет образовать 16 слов: АТ, АГ, ГЦ и т.д. 16 = 4 2 . Этих слов тоже недостаточно. А вот если использовать слова по три буквы, то получится 4 3 = 64 слова. Их будет вполне достаточно, чтобы назвать 20 аминокислот. Даже получится, что им можно давать по два и больше имен. Например, у одного и то же животного два имени – «бегемот» и «гиппопотам».

О том, что 20 аминокислот могут кодироваться нуклеотидами, объединенными в тройки, догадался Георгий Антонович Гамов, автор теории Большого взрыва.

Каждая тройка нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном, или триплетом.

Кодон (триплет) – тройка нуклеотидов, кодирующая аминокислоту.

«Словарь» для перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется генетическим кодом.

Генетический код ‒ таблица соответствия кодонов аминокислотам.

Она была составлена в 60-х годах XX века.

Некоторые свойства генетического кода

1. Каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту).

2. Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.

Как кодируется информация в молекуле днк

В молекуле ДНК каждая цепь представляет собой последовательность нуклеотидов. Легче представить, что это определенная последовательность азотистых оснований – перекладин между цепочками ДНК. Но ведь это и определенная последовательность перекладин, разделенных на тройки, т.е. кодонов. Причем, если азотистые основания одной цепи ДНК, соединенные водородными связями с азотистыми основаниями другой цепи, комплементарны ‒ соответствуют друг другу, то такими же комплементарными будут и азотистые основания, разделенные на тройки, т.е. кодоны. Кодон, комплементарный другому кодону, называется антикодоном. Например, АГА комплементарен ТЦТ.

Итак, на каждой цепи молекулы ДНК находится определенная последовательность кодонов. Но ведь каждый кодон соответствует только одной аминокислоте. Поэтому последовательность кодонов на одной из цепей ДНК однозначно определяет последовательность аминокислот. Следовательно, с помощью последовательности кодонов, расположенных на цепи ДНК, можно закодировать последовательность аминокислот в молекуле белка, иными словами, его структуру. Эта последовательность кодонов и есть ген.

Ген – участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка.

Ранее мы подчёркивали, что нуклеотиды имеют важную для формирования жизни на Земле особенность – при наличии в растворе одной полинуклеотидной цепочки спонтанно происходит процесс образования второй (параллельной) цепочки на основании комплементарного соединения родственных нуклеотидов. Одинаковое число нуклеотидов, в обоих цепочках и их химическое родство, является непременным условием для осуществления такого рода реакций. Однако при синтезе белка, когда информация с иРНК реализуется в структуру белка никакой речи о соблюдении принципа комплементарности идти не может. Это связано с тем, что в иРНК, и в синтезированном белке различно не только число мономеров, но и, что особенно важно, отсутствует структурное сходство между ними (с одной стороны нуклеотиды, с другой аминокислоты). Понятно, что в этом случае возникает необходимость создания нового принципа точного перевода информации с полинуклеотида в структуру полипептида. В эволюции такой принцип был создан и в его основу был заложен генетический код.

Генетический код имеет несколько свойств.

Триплетность.

Вырожденность или избыточность.

Однозначность.

Полярность.

Неперекрываемость.

Компактность.

Универсальность.

Таблица 1.

Кодоны информационной РНК и соответствующие им аминокислоты

О с н о в а н и я к о д о н о в




	Нонсенс	Нонсенс
	Нонсенс




		Мет



		Вал

аминокислот а являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА , их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называютнонсенс-мутация . Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться – синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» - Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).

б. Вырожденность или избыточность.

Его предпочтение очевидно. Если бы из 64 варианта триплетов в кодировании аминокислот участвовало только 20, то 44 триплета (из 64) оставались бы не кодирующими, т.е. бессмысленными (нонсенс-кодонами). Ранее мы указывали, насколько опасно для жизнедеятельности клетки превращение кодирующего триплета в результате мутации в нонсенс-кодон - это существенно нарушает нормальную работу РНК-полимеразы, приводя в конечном итоге к развитию заболеваний. В настоящее время в нашем геноме три кодона являются бессмысленными, а теперь представьте, что было бы если число нонсенс-кодонов увеличится в примерно в 15 раз. Понятно, что в такой ситуации переход нормальных кодонов в нонсенс-кодоны будет неизмеримо выше.

Гемоглобин состоит из железопорфириновой группы гема (к ней и присоединяются молекулы кислорода и углекислоты) и белка - глобина. Гемоглобин взрослого человека (НвА) содержит две идентичные  -цепи и две  -цепи. Молекула  -цепи содержит 141 аминокислотных остатков,  -цепочка - 146,  - и  -цепи различаются по многим аминокислотным остаткам. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Ген, кодирующий  -цепь располагается в коротком плече 16 хромосомы,  -ген - в коротком плече 11 хромосомы. Замена в гене, кодирующем  -цепь гемоглобина первого или второго нуклеотида практически всегда приводит к появлению в белка новых аминокислот, нарушению функций гемоглобина и тяжёлым последствия для больного. Например, замена “Ц” в одном из триплетов ЦАУ (гистидин) на “У” - приведет к появлению нового триплета УАУ, кодирующего другую аминокислоту - тирозин Фенотипически это проявится в тяжёлом заболевании.. Аналогичная замена в 63 положении  -цепи полипептида гистидина на тирозин приведет к дестабилизации гемоглобина. Развивается заболевание метгемоглобинемия. Замена, в результате мутации, глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении  -цепи является причиной тяжелейшего заболевания - серповидно-клеточной анемии. Не будем продолжать печальный список. Отметим только, что при замене первых двух нуклеотидов может появится аминокислота по физико-химическим свойствам похожая на прежнюю. Так, замена 2-го нуклеотида в одном из триплетов, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА) в  -цепи на “У” приводит к появлению нового триплета (ГУА), кодирующего валин, а замена первого нуклеотида на “А” формирует триплет ААА, кодирующий аминокислоту лизин. Глутаминовая кислота и лизин сходны по физико-химическим свойствам - они обе гидрофильны. Валин - гидрофобная аминокислота. Поэтому, замена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин, значительно меняет свойства гемоглобина, что, в конечном итоге, приводит к развитию серповидноклеточной анемии, замена же гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофильный лизин в меньшей степени меняет функцию гемоглобина - у больных возникает легкая форма малокровия. В результате замены третьего основания новый триплет может кодировать туже аминокислоты, что и прежней. Например, если в триплете ЦАУ урацил был заменён на цитозин и возник триплет ЦАЦ, то практически никаких фенотипических изменений у человека выявлено не будет. Это понятно, т.к. оба триплета кодируют одну и туже аминокислоту – гистидин.

в. Однозначность.

Однозначен

Кодон аминокислота

Вырожденный

г. Полярность

д. Неперекрываемость.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

*** *** *** *** *** ***

Аланин – Аланин Ала – Цис – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей

А Б В

Не перекрывающийся код Перекрывающийся код

Рис. 34. Схема, объясняющая наличие в геноме не перекрывающегося кода (объяснение в тексте).

е. Компактность.

ж. Универсальность.

МЗ. Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны,

соответствующие аминокислотам в белке. Генетический код имеет несколько свойств.

ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет"

Педагогический институт им. В.Г. Белинского

Кафедра "Общей биологии и биохимии"

Курсовая работа

по дисциплине "Биология"

на тему "Кодирование и реализация биологической информации в клетке, генетический код и его свойства"

Пенза 2014 г.

Введение

Общие свойства генетического материала и уровни организации генетического аппарата

3. Свойства гена

4.2 Рибонуклеиновая кислота

6. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код и его свойства

6.2 Репликация молекулы ДНК

6.4 Биосинтез белка в клетке

Заключение

генетический дезоксирибонуклеиновый биосинтез белок

Введение

Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковыхмолекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Уникальность каждой клетки заключается в уникальности ее белков. Клетки, выполняющие различные функции, способные синтезировать свои собственные белки, используя информацию, которая записана в молекуле ДНК.

Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации были опыты по трансформациибактерий. Ф. Гриффите (1928).

Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации получили Н. Циндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции.

Доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки, являются носителями генетической информации,были опыты X. Френкель-Конрата (1950). Так с открытием явлений трансформации, трансдукции и опытами Френкель-Конрата была доказана рольнуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

В 1941 г. Г. Бидл и Е. Татум установили, что гены отвечают за образование ферментов, которые через клеточный метаболизм влияют на развитие морфологических ифизиологических признаков.

В 1951 г. Э. Чаргафф открыл явление комплементарноcтиазотистых оснований в молекуле ДНК (правилаЧаргаффа), показав, что количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

В 1953 г. Дж.Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс предложили модель структуры молекулы ДНК, представляющую собой двойную спираль.

Таким образом, в начале 50-х годов было доказано,что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию. Первичными функциями генов являются хранение ипередача генетической информации. Передача генетической информации происходит от ДНК к ДНК при репликации ДНК. Такой путь передачи информации от ДНК к иРНК ибелку Ф. Крик (1958) назвал - центральной догмой молекулярной биологии.

В 60-х гг. работами М. Ниренберга, С. Очоа, X. Кораны и других была произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуленуклеиновых кислот определенным аминокислотам.

В 70-х гг. стали активнотразрабатываться методы генной инженерии, позволяющие целенаправленноизменять наследственные свойства живых организмов.

К концу XX столетия, благодаря новым молекулярно-генетическимтехнологиям, появилась возможность определять последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов). ДНК-тексты генома человека, представленные в целом 3 млрд. пар нуклеотидов, восновном прочитаны к 2001 году. Научно-практическое направление молекулярнойбиологии, имеющее целью определение нуклеотидных последовательностеймолекул ДНК, получило название геномики.

1. Общие свойства генетического материала и уровни организации генетического аппарата

Элементарной функциональной единицей генетического аппарата,определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организмаданного вида, является -ген (наследственный задаток, по Г. Менделю). Передачейгенов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальнаяпреемственность -наследование потомками признаков родителей.Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической,биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретностиорганизмов (клеток), т.е. отдельное качество или свойство, по которому ониотличаются друг от друга.

Большинство перечисленных выше особенностей организмов или клеток,относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтезамногих веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных идругих белков. Свойства белковой молекулы определяются аминокислотнойпоследовательностью ее полипептидной цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и являетсяэлементарным, или простым, признаком.

Основные свойства гена как функциональной единицы генетическогоаппарата определяются его химической организацией.

2. Химическая организация гена

Исследования, направленные на выяснение химической природынаследственного материала, неопровержимо доказали, что материальнымсубстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты,которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновыекислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярноймассой. Это полимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов, включающих трикомпонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин илипиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1" присоединяетсяазотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атомууглерода С-5" с помощью эфирной связи - фосфат; у третьего атома углерода С-3"всегда имеется гидроксильная группа-ОН. Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходитпутем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, чтомежду ними устанавливается фосфодиэфирная связь В результатеобразуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекулфосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1" присоединено одно изперечисленных выше азотистых оснований).Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии ферментаполимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующегонуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3", предыдущегонуклеотида. Благодаря отмеченной специфике действия названногофермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3". Начало цепи всегда несетфосфатную группу в положении 5". Это позволяет выделить в ней 5" и 3" концы.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала-хромосом обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

3. Свойства гена

Гены характеризуются определенными свойствами:специфичностью, целостностью и дискретностью, стабильностью и лабильностью, плейотропией, экспрессивностью и пенетрантностью.Специфичность гена заключается в том, что каждыйструктурный ген обладает только ему присущим порядкомрасположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида, рРНК или тРНК.Целостность гена состоит в том, что при программировании синтеза полипептида он выступает как неделимая единица, изменение которой приводит к изменениюмолекулы полипептида. Ген как функциональная единица - неделим.Дискретность гена определяется наличием в нем субъединиц. В настоящее время минимальной структурнойсубъединицей гена считают пару комплементарных нуклеотидов, а минимальной функциональной единицей -кодон.Гены относительно стабильны и изменяются (мутируют) редко. Частота спонтанной мутации одного гена -примерно 1 -Ю-5 на одно поколение.

Способность гена изменяться (мутировать) называетсялабильностью.Гены, как правило, обладают плейотропным (множественным) действием, когда один ген отвечает за проявление нескольких признаков. Это явление, в частности,наблюдается при некоторых энзимопатиях, множественных врожденных пороках развития, например при синдроме Марфана.

4. Структура и функции ДНК и РНК

Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus - ядро). Нуклеиновые кислоты- ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

1 Дезоксирибонуклеиновая кислота

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) - это самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид. Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны четыре нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК.Они отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Два азотистых основания цитозин и тимин - производные пиримидина. Аденин и гуанин относят к производным пурина. В названии каждого нуклеотида отражено название азотистого основания. Различают нуклеотиды: цитидиловый (Ц), тимидиловый (Т), адениловый (А), гуаниловый (Г). Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего. Согласно модели ДНК, обе нити вместе закручены вокруг общей оси. Две нити молекулы удерживаются рядом водородными связями, которые возникают между их комплементарнымиазотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин - цитозину.Междуаденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином три.

ДНК находится в ядре, где она вместе с белками образует линейные структуры - хромосомы. Хромосомы хорошо видны при микроскопировании в период деления ядра; в интерфазе они деспирализованы.

ДНК имеется в митохондриях и пластидах (хлоропластах и лейкопластах), где их молекулы образуют кольцевые структуры. В клетках доядерных организмов также присутствует кольцевая ДНК.

ДНК способна к самоудвоению (редупликации). Это имеет место в определенном периоде жизненного цикла клетки, называемом синтетическим. Редупликация позволяет сохранить постоянство структуры ДНК. Если под воздействием различных факторов в процессе репликации в молекуле ДНК происходят изменения в числе, порядке следования нуклеотидов, то возникают мутации.

Основная функция ДНК - хранение наследственной информации, заключеннойв последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этойинформации дочерним клеткам. Возможность передачи наследственнойинформации от клетки к клетке обеспечивается способностью хромосом кразделению на хроматиды с последующей редупликацией молекулы ДНК.В ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, опризнаках каждой клетки и организма в целом. Эта информация называетсягенетической.В молекуле ДНК закодирована генетическая информация опоследовательности аминокислот в молекуле белка. Передача иреализация информации осуществляется в клетке при участии рибонуклеиновых кислот.

2 Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновые кислоты бывают нескольких видов. Есть рибосомальная,транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного изазотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), углевода - рибозы иостатка фосфорной кислоты. Молекулы РНК - одноцепочковые.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом.Р-РНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.Информационная РНК (и-РНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке.По строению и-РНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информациюо синтезе определенного белка. Длина и-РНК зависит от длины участка ДНК, скоторого считывали информацию. И-РНК переносит информацию о синтезе белка изядра в цитоплазму.

Транспортная РНК (т-РНК) составляет около 10% всей РНК. Она имееткороткую цепь нуклеотидов и находится в цитоплазме. Т-РНК присоединяетопределенные аминокислоты и подвозит их к месту синтеза белка к рибосомам. Т-РНК имеет форму трилистника. На одном конце находится триплет нуклеотидов(антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце имеетсятриплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота.При комплементарности триплета т-РНК (антикодона) и триплета и-РНК(кодона), аминокислота занимает определенное место в молекуле белка.

РНК находится в ядрышке, в цитоплазме, в рибосомах, в митохондриях ипластидах.

В природе есть еще один вид РНК. Это вирусная РНК. У одних вирусов онавыполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У другихвирусов эту функцию выполняет вирусная ДНК.

5. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

Опыты Фредерика Гриффита 1928г. Известно, что бактерия Pneutnococcuspneumoniaeимеет несколько форм. Вирулентность бактерии определяется наличием мукополисахаридной капсулы, расположенной па поверхности клетки. Эта капсула защищает бактерию от воздействий со стороны организма-хозяина. В результате, размножившиеся бактерии убивают зараженное животное. Бактерии этого штамма (S-штамм) образуют гладкие колонии. Авирулентные формы бактерий не имеют защитной капсулы и образуют шероховатые колонии (R-штамм). Микробиолог Фредерик Гриффитс в 1928 году инъецировал мышам живого пневмококка R-штамма вместе с S-штаммом, убитым высокой температурой (65°С). Спустя некоторое время ему удалось выделить из заражённых мышей живых пневмококков, обладающих капсулой. Таким образом, оказалось, что свойство убитого пневмококка - способность образовывать капсулу - перешло к живой бактерии, т.е. произошла трансформация. Поскольку признак наличия капсулы является наследственным, то следовало предположить, что какая-то часть наследственного вещества от бактерий штамма S перешла к клеткам штамма R.

В 1944 году О.Т. Эвери, К.М. Маклеод и М. Маккарти показали, что такое же превращение типов пневмококков может происходить в пробирке, т.е. invitro. Эти исследователи установили существование особой субстанции -"трансформирующего принципа", -экстракта из клеток штамма S, обогащенного ДНK. Как далее выяснилось, ДНK, выделенная из клеток S-штамма добавленная в культуру R-штамма, трансформировала часть клеток в S-форму. Клетки стойко передавали это свойство при дальнейшем размножении. Обработка "трансформирующего фактора" ДНК-азой, ферментом разрушающим ДНK, блокирована трансформацию. Эти данные впервые показали, что именно ДНК, а не белок, как полагали до тех пор, является наследственным материалом.

г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз.Как известно, фаг Т2 является вирусом, инфицирующим бактерию E. coli. фаговые частицы абсорбируются на наружной поверхности клетки, их материал проникает внутрь и примерно через 20 минут бактерия лизируется, освобождая большое количество фаговых частиц - потомков. В 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз инфицировали бактерии фагами Т2, которые были мечены радиоактивными соединениями: ДНК - с помощью 32P. Белковая часть фага - 35S. После инфекции бактерии фагами, с помощью центрифугирования удалось выделить две фракции: пустые белковые оболочки фага и бактерии, инфицированных фаговой ДНК. Оказалось, что 80% метки 35S осталась в пустых фаговых оболочках, а 70% метки 32P - в инфицированных бактериях. Фаги-потомки получили только около 1% исходного белка, меченного 35S, однако они же обнаружили около 30% метки 32P. Результаты этого эксперимента прямо показали, что ДНК родительских фагов проникает в бактерии и затем становиться составляющей развившихся новых фагов частиц.

г. Опыты Френкеля - КонратаФренкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.

Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации. На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.

6. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК.Биологический код и его свойства

1 Уровни упаковки генетического материала

Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми инегистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидномнаборе хромосом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации) фибрилл.

Первый уровень упаковки ДНК-нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой цилиндр (октамер) диаметром11 нм и высотой 6 нм, содержащий по две молекулы каждого из четырех гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), вокругкоторого двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующий цилиндр. Длина накрученного фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм(около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким образом нуклеосомная нить имеет диаметр около 13 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.

Второй уровень упаковки-соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы.сшиваются. гистоном HI и образуется спиральдиаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковкиобнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки-хроматидный (петлевой).Супернуклеосомная нитьспирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды иобеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм.Нить ДНП (ДНК+белок) укорачивается в 10-20 раз.

Четвертый уровень упаковки-уровень метафазнойхромосомы. Хроматиды в метафазе способны еще спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных)участков; происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм идиаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации -укорочение нити ДНК в 10 000 раз.

Хромосомыпрокариотических клеток представляютсобой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около5 -106 пар нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специальные методы разрушения прокариот, можно обнаружить, что их ДНК собрана в бусины, приближающиеся по величине к нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указывает на слабое взаимодействие между ДНК и белками.

Характер конденсации хромосомы прокариот не вполневыяснен, но в целом она может быть выделена в видекомпактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотическихклетках (бактерий) содержатся и кольцевыедвухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы-плазмидыспособны реплицироватьсявне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды вбольшинстве своем содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам. Кольцевидные молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. ДНК органоидов не связана с гистонами.

6.2 Репликация молекулы ДНК

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей материнской молекулы служит матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности. После репликации молекула ДНК содержит одну материнскую цепочку и одну дочернюю, вновь синтезированную (синтез ДНКявляется полуконсервативным). Так как две комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, а ДНК-полимераза может продвигатьсявдоль матричных цепей лишь от 5"-конца к З"-концу, то синтез новых цепей идет антипараллельно (принцип антипараллельности) Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов (нескольких миллионов), невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Бактериальная хромосома содержит один репликон. Эукариотическая хромосома содержит много репликонов, в которых удвоение молекулы ДНК идет одновременно. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точка начала, в которой инициируется репликация, и точка окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. Репликационная вилка движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении (5"-3"), то в каждой репликационной вилке она может постепенно и непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона связываются воедино ферментом лигазой. Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Участки.дочерних. молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также сшиваются ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу.

6.3 Генетический код и его свойства

Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Относительная примитивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследственности и изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрезвычайно разнообразная информация.

Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или нонсенс-триплетов. Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считываниинаследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ. Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том,что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типузамены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует туже самую аминокислоту.

В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена егоспецифичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентностивего эволюции на ранних этапах существования жизни.

Расшифровка кода в ДНКмитохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.Наряду с триплетностью, вырожденностью, специфичностью и универсальностью важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2 - 3 аминокислот в пептидной цепи.

Таким образом, генетический код представляет собой не случайный конгломерат соответствий между кодонами и аминокислотами, а высокоорганизованную систему соответствий, поддерживаемую сложными молекулярными механизмами.

4 Биосинтез белка в клетке

Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает иРНК (информационная РНК). Она синтезируется в ядре наодной из цепей ДНК по принципу комплементарностипосле разрыва водородных связей между двумя цепочками (фермент РНК-полимераза). Процесс переписывания информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией. Синтезированная таким образом иРНК (матричный синтез) выходит через поры ядра в цитоплазму и взаимодействует с малой субъединицей одной или нескольких рибосом. Рибосомы, объединенные одной молекулой иРНК, называют полисомами. На каждой рибосоме полисомы синтезируются одинаковые молекулы белка.

Следующий этап биосинтеза белка - трансляция, перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Транспортные РНК (тРНК) .приносят аминокислоты в рибосому. Молекула тРНК по конфигурации похожа на лист клевера и имеет два активных центра. На одном конце молекулы расположен триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном исоответствует определенной аминокислоте. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами,то число различных тРНК значительно больше 20 (идентифицировано 60). Второй активный центр-противоположный антикодону участок, к которому прикрепляется аминокислота. На 5"-конце молекулытРНК всегда находится гуанин,а на 3"-конце-риплет ЦЦА. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии особой формы фермента аминоацил-тРНК-синтетазыи АТФ. В результате образуется комплекс аминокислоты стРНК-аминоацил-тРНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотойдостаточна для образования вдальнейшем пептидной связи. Аминокислоты транспортируются в большую субъединицу рибосом. В каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона и РНК: один напротиваминоацильного центра, второй - напротив пептидилъного центра. Если антикодон тРНК и кодонаминоацильного центра являются комплементарными, то тРНКи аминокислота переходят в пептидильный центр (рибосома продвигается на один триплет), аминокислота отсоединяется от тРНК и присоединяется к предшествующейаминокислоте, а тРНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. То же происходит со второй тРНК и ее аминокислотой. Таким образом, полипептидная молекуласобирается в полном соответствии с информацией, записанной на иРНК. В процессе трансляции выделяют три стадии: инициации, элонгации и терминации. Инициация (началотрансляции) заключается в связывании рибосомы сиРНК, для чего в начале молекулы иРНК имеется специальный инициирующий кодон (АУГ) и определенная последовательность нуклеотидов, которая отвечает за связь с рибосомой. Элонгация (процесс трансляции) включаетреакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосома перемещается от первогодо последнего кодона на иРНК. Терминация (конецтрансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, У ГА), которые прекращают синтез белка; происходит отделение рибосомы от иРНК. Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функцию выполняют хромосомные белки (гистоны). Их молекулы заряжены положительно и легко связываются с отрицательно заряженными фосфатами, влияя натранскрипцию определенных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетил ирование, метилирование) ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновыебелки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транскрипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерныеРНК, которые находятся в комплексе с белками и могутизбирательно включать гены. Усиливают синтез белка различные анаболическиестероиды, инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот (инозин, оротат калия). Ингибиторамисинтеза белка являются антибиотики (рифамицины, оливомицин), некоторые противоопухолевые препараты (винбластин, винкристин, 5-фторурацил), модифицированные азотистые основания и нуклеозиды.

В лабораторных условиях синтез белков требует огромного времени, усилий и средств. В клетке же синтез белковых молекул, состоящих из сотен и более аминокислот, осуществляется в течение нескольких секунд. Это объясняется в первую очередь матричным принципом синтеза нуклеиновых кислот и белков, обеспечивающим точную последовательность мономерных звеньев а синтезируемых полимерах. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Существенное влияние на быстроту и точность протекания всех реакций синтеза белка оказывают ферменты. С участием специальных ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК, соединение аминокислот с тРНК и т. д. Процесс белкового синтеза требует также больших затрат энергии. Так, на соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Можно представить, сколько молекул "АТФ расщепляется в процессе синтеза среднего по размерам белка, состоящего из нескольких сотен аминокислот.

Заключение

Биологические свойства живой материи обуславливаются совокупными свойствами её составляющих биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В связи с этим живая материя подчиняется не только всем известным физико-химическим законам, но и закономерностям информационным. Ясно, что биоорганическое вещество является материальной основой построения любой живой системы. Кроме того, биологические макромолекулы и структуры выступают и в качестве носителя молекулярной информации, поэтому информация в структуре живого имеет химическую форму записи. Благодаря обработке и циркуляции наследственной информации в процессе жизнедеятельности осуществляется управление и регулирование биохимическими и молекулярными процессами, снижается энтропия (дезорганизация) живой системы. Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов.

На основании достижений молекулярной биологии, биохимии и генетики в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление в генетике генная инженерия, целью которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой путем переноса генетической информации из одного организма в другой.

Генная инженерия берет свое начало в 1973 году, когда генетики Стэнли Кохен и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки.

Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.

В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания ещё на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьёзных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребёнка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.

Исходя из выше сказанного, имеются убедительные основания полагать, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии, были заново "открыты" человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности.

Список использованных источников информации

1.Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир, 1988. Т. 3.

2.Генная инженерия. Статья.russia.ru/content/view/38/36/

Гриф МО РФ. Биология. Учебник. 1т. ГЭОТАР-Медиа (2013г.) 1290с.

4.Заяц Р.Г., Рачковская И.В. Основы общей и медицинской генетики. Мн.: ВШ, 1998.

5.Калашников Ю. Я., Информационное управление клеточными процессами .

6.Петухов В.Л., Короткевич О.С., Стамбеков С.Ж. Генетика. учеб. пособие для студентов высш. учеб. Заведений Новосибирск: СемГПИ, 2007. 628 с.

7.Поликарпова В.А. Генная инженерия и проблемы человека. Академия гуманитарных наук, изд-во ТРТУ, 1999. - 88 с.

8.Спирин А.С. Молекулярная биология. М.: Высш. шк. 1990. 352 с.

Чебышев Н.В., Гринева Г.Г., Козарь М.В., Гуленков С.И.Биология (Учебник). - М.: ВУНМЦ, 2000.

Ярыгин В.Н., В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синелыцикова. Биология. Кн. 1: Учеб. длямедиц. спец. Вузов 2003.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.