Особенности биологического кода

История изучения:

Знания о белках и нуклеиновых кислотах накапливались в течение длительного времени. К середине XX века их стало достаточно для того, чтобы выдвинуть первые идеи о природе генетического кода. К 1953 году было известно, что отдельные белки имеют уникальные аминокислотные последовательности и что, по-видимому, не существует никаких ограничений на порядок аминокислот в полипептиде. Имелись данные о том, что белки состоят примерно из 20—23 различных аминокислот, в то же время списки различались у разных авторов. В генетике была сформирована концепция «один ген — один фермент» (более точно «один ген — один полипептид»), также было установлено, что гены это ДНК, а не белки.

В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали две работы: в первой говорилось о вторичной структуре ДНК, а во второй — о возможном механизме копирования ДНК путём матричного синтеза. В последней работе, они указали на то, что определённая последовательность оснований является кодом, который несёт генетическую информацию. Теперь предстояло решить проблема том, как эта последовательность оснований определяет последовательность аминокислот в белках.

Не смотря на то, что некоторые предположения о механизме кодирования высказывались и ранее, первым кто предложил абстрактную гипотезу кодирования, и кроме этого способ её проверки, был советский и американский физик-теоретик Георгий (Джордж) Гамов. В 1954 году Гамов опубликовал свою работу, в которой предложил в качестве механизма кодирования установление соответствия между боковыми цепями аминокислот и ромбовидными «дырами», образованными четырьмя нуклеотидами ДНК. Позднее этот код был назван ромбическим или бубновым. Исходя из своей модели Гамов предположил, что код может быть триплетным. Несмотря на все очевидные недочёты этой гипотезы (к примеру, идея о том, что структура белка напрямую кодируется ДНК) она стала первой среди многих более и менее абстрактных гипотез о природе кода. Гамов был первым, кто представил проблему кодирования не как биохимическую, а просто как задачу перевода из четырёхзначной системы в двадцатизначную.

За несколько последующих лет было предложено множество разных моделей. Все предложенные коды можно разделить на две категории: перекрывающиеся (один нуклеотид входит в состав более чем одного кодона) и неперекрывающиеся. К перекрывающимся кодам относятся треугольный, мажорно-минорный и последовательный коды Гамова с коллегами. По мере накопления данных об аминокислотных последовательностях белков, стало ясно, что порядок аминокислот в них может быть любым, поэтому нужно отдавать предпочтение неперекрывающимся кодам. Наиболее известными неперекрывающимися кодами являются комбинационный код Гамова и Ичаса и «код без запятых» Крика, Гриффита и Оргела. Согласно комбинационному коду аминокислоты кодируются триплетами нуклеотидов, помимо этого значение имеет не порядок нуклеотидов в триплете, а его состав (к примеру, триплеты ТТА, ТАТ и АТТ кодируют одну и ту же аминокислоту). «Код без запятых» даёт объяснение тому, как выбирается рамка считывания. Согласно этой модели, некоторые триплеты имеют смысл (соответствуют аминокислотам), а некоторые — нет. Помимо этого код устроен таким образом, что если расположить любые значащие триплеты друг за другом, то триплеты в другой рамке считывания будут бессмысленными. Крик с соавторами показали, что можно подобрать триплеты, удовлетворяющие этим требованиям, и что их ровно 20. Несмотря на то что сами авторы сомневались в обоснованности этой модели, она получила признание и господствовала в течение следующих пяти лет.

Тем не менее в начале 60-х годов XX века новые данные обнаружили несостоятельность гипотезы «кода без запятых». Тогда эксперименты показали, что кодоны, считавшиеся Криком бессмысленными, могут провоцировать белковый синтез в пробирке, и к 1965 году был установлен смысл всех 64 триплетов. Оказалось, что некоторые кодоны просто-напросто избыточны, то есть целый ряд аминокислот кодируется двумя, четырьмя или даже шестью триплетами.

Генетический код:

Реа­ли­за­ция Г. к. в клет­ке про­ис­хо­дит в хо­де двух мат­рич­ных про­цес­сов – транс­крип­ции и трансляции. По­сред­ни­ком ме­ж­ду ге­ном и бел­ком яв­ля­ет­ся мРНК, об­ра­зую­щая­ся в про­цес­се транс­крип­ции на од­ной из ни­тей ДНК. ­При этом по­сле­до­ва­тель­ность ос­но­ва­ний ДНК, не­су­щая ин­фор­ма­цию о пер­вич­ной струк­ту­ре бел­ка, «пе­ре­пи­сы­ва­ет­ся» в ви­де по­сле­до­ва­тель­но­сти ос­но­ва­ний мРНК. За­тем в хо­де транс­ля­ции на ри­бо­со­мах по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов мРНК счи­ты­ва­ет­ся транс­порт­ны­ми РНК (тРНК). По­след­ние име­ют ак­цеп­тор­ный ко­нец, к ко­то­ро­му при­сое­ди­ня­ет­ся ами­но­кис­лот­ный ос­та­ток, и адап­тер­ный ко­нец, или ан­ти­ко­дон-три­плет, ко­то­рый уз­на­ёт со­от­вет­ст­вую­щий ко­дон мРНК. Взаи­мо­дей­ст­вие ко­до­на и ан­ти­ко­до­на про­ис­хо­дит на ос­но­ва­нии ком­пле­мен­тар­но­го спа­ри­ва­ния ос­но­ва­ний: Аде­нин (А) – Ура­цил (U), Гуа­нин (G) – Ци­то­зин (С); при этом по­сле­до­ва­тель­ность ос­но­ва­ний мРНК пе­ре­во­дит­ся в ами­но­кис­лот­ную по­сле­до­ва­тель­ность син­те­зи­рую­ще­го­ся бел­ка. Разл. ор­га­низ­мы ис­поль­зу­ют для од­ной и той же ами­но­кис­ло­ты раз­ные ко­до­ны-си­но­ни­мы с раз­ной час­то­той. Счи­ты­ва­ние мРНК, ко­ди­рую­щей по­ли­пеп­тид­ную цепь, на­чи­на­ет­ся (ини­ции­ру­ет­ся) с ко­до­на АUG, со­от­вет­ст­вую­ще­го ами­но­кис­ло­те ме­тио­ни­ну. Ре­же у про­ка­ри­от ини­ции­рую­щими ко­до­на­ми слу­жат GUG (ва­лин), UUG (лей­цин), АUU (изо­лей­цин), у эу­ка­ри­от – UUG (лей­цин), АUА (изо­лей­цин), АCG (тре­о­нин), CUG (лей­цин). Это за­да­ёт т. н. рам­ку, или фа­зу, счи­ты­ва­ния при транс­ля­ции, т. е. да­лее всю нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность мРНК счи­ты­ва­ют три­плет за три­пле­том тРНК до тех пор, по­ка на мРНК не встре­тит­ся лю­бой из трёх ко­до­нов-тер­ми­на­то­ров, час­то на­зы­вае­мых стоп-ко­до­на­ми: UАА, UАG, UGА (табл.). Счи­ты­ва­ние этих три­пле­тов при­во­дит к за­вер­ше­нию син­те­за по­ли­пеп­тид­ной це­пи. Ко­до­ны АUG и стоп-ко­до­ны сто­ят со­от­вет­ст­вен­но в на­ча­ле и в кон­це уча­ст­ков мРНК, ко­ди­рую­щих по­ли­пеп­ти­ды.

Г. к. ква­зиу­ни­вер­са­лен. Это зна­чит, что су­ще­ст­ву­ют не­боль­шие ва­риа­ции в зна­че­нии не­ко­то­рых ко­до­нов у раз­ных объ­ек­тов, и это ка­са­ет­ся пре­ж­де все­го ко­до­нов-тер­ми­на­то­ров, ко­то­рые мо­гут быть зна­ча­щи­ми; напр., в ми­то­хон­д­ри­ях не­ко­то­рых эу­ка­ри­от и у ми­ко­плазм UGА ко­ди­ру­ет трип­то­фан. Кро­ме то­го, в не­ко­то­рых мРНК бак­те­рий и эу­ка­ри­от UGА ко­ди­ру­ет не­обыч­ную ами­но­кис­ло­ту – се­ле­но­ци­сте­ин, а UAG у од­ной из ар­хе­бак­те­рий – пир­ро­ли­зин.

Су­ще­ст­ву­ет точ­ка зре­ния, со­глас­но ко­то­рой Г. к. воз­ник слу­чай­но (ги­по­те­за «за­мо­ро­жен­но­го слу­чая»). Бо­лее ве­ро­ят­но, что он эво­лю­цио­ни­ро­вал. В поль­зу та­ко­го пред­по­ло­же­ния го­во­рит су­щест­во­ва­ние бо­лее про­сто­го и, по-ви­ди­мо­му, бо­лее древ­не­го ва­ри­ан­та ко­да, ко­то­рый счи­ты­ва­ет­ся в ми­то­хон­д­ри­ях со­глас­но пра­ви­лу «два из трёх», ко­гда ами­но­кис­ло­ту оп­ре­де­ля­ют толь­ко два из трёх ос­но­ва­ний в три­пле­те.

ТРАНСЛЯ́ЦИЯ - генетическая, процесс биосинтеза белка, в ходе которого в клетке реализуется последний этап передачи генетич. информации от ДНК к белку.

ГЕНЕТИ́ЧЕСКИЙ КОД - система записи наследственной информации в виде последовательности оснований нуклеотидов в молекулах ДНК.

КОНЪЮГА́ЦИЯ - форма полового процесса, при котором не происходит образования специальных половых клеток; К. хромосом – попарное временное сближение гомологичных хромосом в процессе редукционного клеточного деления, во время которого между ними может произойти обмен участками.

ТРАНСФОРМА́ЦИЯ - в генетике, изменение наследственных свойств клеток разл. организмов в результате проникновения в них чужеродной ДНК.

ТРАНСДУ́КЦИЯ - перенос бактериальных генов из одной клетки в другую с помощью умеренных фагов; один из наиболее распространённых механизмов рекомбинации у бактерий.

РЕПАРА́ЦИЯ - свойственный клеткам всех организмов процесс восстановления природной структуры ДНК, повреждённой при функционировании клетки, а также при действии физич. или химич. Агентов.

Свойства и функции:

Рассмотрим функции и свойства биологического когда.

Биологические функции ДНК заключаются в том, что она обеспечивает хранение, передачу и реализацию наследственной информации, которая представляет собой информацию о первичной структуре белков. Информация записана в виде определенной последовательности азотистых оснований в молекуле ДНК с помощью генетического кода.

Основными свойствами генетического кода являются: триплетность, вырожденность и неперекрываемость.

1. Триплетность - это значит, что каждая аминокислота кодируется триплетом (кодоном) — сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов. В состав молекул ДНК и РНК входит по 4 типа нуклеотидов. Если бы за определенную аминокислоту «отвечал» один нуклеотид, можно было бы закодировать только 4 из 20 белокобразующих аминокислот. Дублетов (по два нуклеотида) хватило бы лишь на 42 = 16 аминокислот. Количество возможных триплетов (сочетаний трех нуклеотидов) составляет 4³ = 64. Этого с избытком хватает для кодирования всех 20 видов аминокислот.

2. Код однозначен — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

3. Вырожденность кода заключается в том, что одна и та же аминокислота может кодироваться двумя или несколькими кодонами. Например, в мРНК цистеин (Цис) может быть закодирован триплетом УГУ или УГЦ, треонин (Тре) — АЦУ, АЦЦ, АЦА или АЦГ. Некоторые аминокислоты, например лейцин (Лей), кодируются шестью различными триплетами, в то же время метионину (Мет) и триптофану (Трп) соответствует только по одному кодону (проверьте по таблице генетического кода).

4. Код не перекрывается — один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав двух соседних триплетов.

5. Неперекрываемость означает, что одно и то же основание не может входить в состав двух соседних кодонов. Поэтому в клетках считывание информации, содержащейся в генах, всегда начинается со строго определенного нуклеотида.

Если в составе гена происходит изменение количества нуклеотидов (их выпадение или вставка) на число, не кратное трем, наблюдается так называемый сдвиг рамки считывания. Это приводит к существенному изменению последовательности аминокислот в белке, который кодируется измененным геном. В некоторых случаях сдвиг рамки считывания приводит к возникновению стоп-кодонов, из-за чего синтез белка обрывается.

6. Установлено, что код является универсальным, т.е. принцип записи генетической информации одинаков у всех организмов. Триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называются кодонами-синонимами. Установлено, что универсальность биологического кода не является абсолютной. При сохранении общего для всех организмов принципа кодирования и особенностей кода в ряде случаев наблюдается изменение смысловой нагрузки отдельных кодовых слов. Это явление получило название неоднозначности генетического кода, а сам код был назван квазиуниверсальным.