Генетичний код є. Поняття про ген, генетичному коді. Кодова система ДНК

Генетичні функції ДНКполягають в тому, що вона забезпечує зберігання, передачу і реалізацію спадкової інформації, яка представляє собою інформацію про первинну структуру білків (тобто їх амінокислотним складом). Зв'язок ДНК з синтезом білка була передбачена биохимиками Дж. Бідлом і Е. Тейтум ще в 1944 р при вивченні механізму мутацій у цвілеві грибки Neurospora. Інформація записана у вигляді певної послідовності азотистих основ у молекулі ДНК за допомогою генетичного коду. Розшифровку генетичного коду вважають одним з великих відкриттів природознавства ХХ в. і за значимістю прирівнюють до відкриття ядерної енергії у фізиці. Успіх в цій області пов'язаний з ім'ям американського вченого М. Ниренберга, в лабораторії якого був розшифрований перший кодон - YYY. Однак весь процес розшифровки зайняв більше 10 років, в ньому брало участь багато відомих вчених з різних країн, І не тільки біологи, а й фізики, математики, кібернетики. Вирішальний внесок у розробку механізму записи генетичної інформації був внесений Г. Гамовим, який першим припустив, що кодон складається з трьох нуклеотидів. Спільними зусиллями вчених була дана повна характеристика генетичного коду.

Букви у внутрішньому колі - підстави в 1-й позиції в кодоні, букви в другому колі -
підстави у 2-й позиції і букви зовні другого кола - підстави в 3-й позиції.
В останньому колі - скорочені назви амінокислот. НП - неполярні,
П - полярні амінокислотні залишки.

Основними властивостями генетичного коду є: триплетність, вирожденністьі неперекриваемость. Триплетність означає, що послідовність з трьох підстав визначає включення в молекулу білка специфічної амінокислоти (наприклад, АУГ - метіонін). Виродженість коду полягає в тому, що одна і та ж амінокислота може кодуватися двома або кількома кодонами. Неперекриваемость означає, що один і той же підстава не може входити до складу двох сусідніх кодонів.

Встановлено, що код є універсальним, Тобто принцип запису генетичної інформації однаковий у всіх організмів.

Триплети, що кодують одну і ту ж амінокислоту, називаються кодонами-синонімами. Зазвичай вони мають однакові підставив 1-й і 2-й позиціях і розрізняються тільки по третьому основи. Наприклад, включення амінокислоти аланіну в молекулу білка кодують кодони-синоніми в молекулі РНК - GCA, GCC, GCG, GCY. У складі генетичного коду є три некодуючих триплета (нонсенс-кодони - UAG, UGA, UAA), які грають роль stop-сигналів в процесі зчитування інформації.

Встановлено, що універсальність генетичного коду не є абсолютною. При збереженні загального для всіх організмів принципу кодування і особливостей коду в ряді випадків спостерігається зміна смислового навантаження окремих кодових слів. Це явище отримало назву неоднозначності генетичного коду, а сам код був названий квазіуніверсальним.

Читайте також інші статті теми 6 "Молекулярні основи спадковості":

Перейти до читання інших тем книги "Генетика і селекція. Теорія. Завдання. Відповіді".

Генетичний код - це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів в ДНК або РНК, що утворюють кодони, відповідні амінокислотам в білку.

Властивості генетичного коду.

Генетичний код має кілька властивостей.

Триплетність.

Виродженість або надмірність.

Однозначність.

Полярність.

Неперекриваемость.

Компактність.

Універсальність.

Слід зазначити, що деякі автори пропонують ще й інші властивості коду, пов'язані з хімічними особливостями входять в код нуклеотидів або з частотою зустрічальності окремих амінокислот в білках організму і т.д. Однак ці властивість випливають з перерахованих вище, тому там ми їх і розглянемо.

а. Триплетність. Генетичний код, як і багато складно організовані система має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет - найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона з трьох нуклеотидів. Кодон - найменша функціональна одиниця генетичного коду. Як правило, кодонами називають триплети іРНК. У генетичному коді кодон виконує кілька функцій. По-перше, головна його функція полягає в тому, що він кодує одну амінокислоту. По-друге, кодон може не кодувати амінокислоту, але, в цьому випадку, він виконує іншу функцію (див. Далі). Як видно з визначення, триплет - це поняття, яке характеризує елементарну структурну одиницюгенетичного коду (три нуклеотидів). Кодон - характеризує елементарну смислову одиницюгенома - три нуклеотиду визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.

Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, а потім її існування підтвердили експериментально. І дійсно, 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом тому останніх всього 4. Три нуклеотиду з чотирьох дають 4 3 = 64 варіанта, що з надлишком перекриває кількість наявних у живих організмах амінокислот (см.табл. 1).

Представлені в таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів кодонів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплета не кодують

амінокислот а є стоп-сигналами, що позначають кінець трансляції. Таких триплетів три - УАА, УАГ, УГА, Їх ще називають «безглузді» (нонсенс кодони). В результаті мутації, яка пов'язана з заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, з смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (в його інформаційної частини), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватися - синтезуватися буде тільки перша (до стоп-сигналу) частину білка. У людини з такою патологією буде відчуватися нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цією нестачею. Наприклад, такого роду мутація виявлена ​​в гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується укорочена неактивна ланцюг гемоглобіну, яка швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну позбавлена ​​бета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи буде повноцінно виконувати свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається по типу гемолітичної анемії (бета-нуль талассемия, від грецького слова «Талас» - Середземне море, де ця хвороба вперше виявлена).

Механізм дії стоп-кодонів відрізняється від механізму дії смислових кодонів. Це випливає з того, що для всіх кодони, що кодують амінокислоти, знайдені відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдені. Отже, в процесі зупинки синтезу білка тРНК не приймає участь.

кодонАУГ (У бактерій іноді ГУГ) не тільки кодують амінокислоту метіонін і валін, але і єініціатором трансляції .

б. Виродженість або надмірність.

61 з 64 кодонів кодують 20 амінокислот. Таке триразове перевищення числа триплетів над кількістю амінокислот дозволяє припустити, що в перенесенні інформації можуть бути використані два варіанти кодування. По-перше, не всі 64 кодони можуть бути задіяні в кодуванні 20 амінокислот, а тільки 20 і, по-друге, амінокислоти можуть кодуватися кількома кодонами. Дослідження показали, що природа використовувала останній варіант.

Його перевага очевидно. Якби з 64 варіанту триплетів в кодуванні амінокислот брало участь лише 20, то 44 триплетів (з 64) залишалися б не кодують, тобто безглуздими (нонсенс-кодонами). Раніше ми вказували, наскільки небезпечно для життєдіяльності клітини перетворення кодує триплета в результаті мутації в нонсенс-кодон - це істотно порушує нормальну роботу РНК-полімерази, приводячи в кінцевому підсумку до розвитку захворювань. В даний час в нашому геномі три кодону є безглуздими, а тепер уявіть, що було б якщо число нонсенс-кодонів збільшиться в приблизно в 15 разів. Зрозуміло, що в такій ситуації перехід нормальних кодонів в нонсенс-кодони буде незрівнянно вищий.

Код, при якому одна амінокислота кодується декількома триплету, називається виродженим або надмірною. Майже кожній амінокислоті відповідає кілька кодонів. Так, амінокислота лейцин може кодуватися шістьма триплету - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валін кодується чотирма триплету, фенілаланін - двома і тільки триптофан і метіонінкодуються одним кодоном. Властивість, яке пов'язане із записом однієї і тієї ж інформації різними символами носить назву вирожденність.

Число кодонів, призначених для однієї амінокислоти, добре корелюється з частотою народження амінокислоти в білках.

І це, швидше за все, не випадково. Чим більше частота народження амінокислоти в білку, тим частіше представлений кодон цієї амінокислоти в геномі, тим вище ймовірність його пошкодження мутагенними факторами. Тому зрозуміло, що мутований кодон має більше шансів кодувати тугіше амінокислоту при високій його вирожденність. З цих позицій вирожденність генетичного коду є механізмом захищає геном людини від пошкоджень.

Необхідно відзначити, що термін вирожденність використовується в молекулярної генетики та в іншому сенсі. Так основна частина інформації в кодоні доводиться на перші два нуклеотиди, підстава в третьому положенні кодону виявляється малоістотним. Цей феномен називають "виродження третього підстави". Остання особливість зводить до мінімуму ефект мутацій. Наприклад, відомо, що основною функцією еритроцитів крові є перенесення кисню від легенів до тканин і вуглекислого газувід тканин до легким. Здійснює цю функцію дихальний пігмент - гемоглобін, який заповнює всю цитоплазму еритроцита. Складається він з білкової частини - глобіну, який кодується відповідним геном. Крім білка в молекулу гемоглобіну входить гем, що містить залізо. Мутації в глобінових генах призводять до появи різних варіантів гемоглобінів. Найчастіше мутації пов'язані з заміною одного нуклеотиду на інший і появою в гені нового кодону, Який може кодувати нову амінокислоту в поліпептидного ланцюга гемоглобіну. У триплеті, в результаті мутації може бути замінений будь-нуклеотид - перший, другий чи третій. Відомо кілька сотень мутацій, які зачіпають цілісність генів глобіну. близько 400 з них пов'язані із заміною одиничних нуклеотидів в гені і відповідної амінокислотної заміною в поліпептиді. З них тільки 100 замін призводять до нестабільності гемоглобіну і різного роду захворювань від легких до дуже важких. 300 (приблизно 64%) мутацій-замін не впливають на функцію гемоглобіну і не призводять до патології. Однією з причин цього є згадана вище "вирожденність третього підстави", коли заміна третього нуклеотиду в триплеті кодує серин, лейцин, пролін, аргінін і деякі інші амінокислоти призводить до появи кодону-синоніма, що кодує ту ж амінокислоту. Фенотипічно така мутація не проявиться. На відміну від цього будь-яка заміна першого або другого нуклеотиду в триплеті в 100% випадках призводить до появи нового варіанту гемоглобіну. Але і в цьому випадку важких фенотипических порушень може і не бути. Причиною цього є заміна амінокислоти в гемоглобіні на іншу подібну до першої по фізико-хімічними властивостями. Наприклад, якщо амінокислота, що володіє гідрофільними властивостями, замінена на іншу амінокислоту, але з такими ж властивостями.

Гемоглобін складається з железопорфіріновой групи гема (до неї і приєднуються молекули кисню і вуглекислоти) і білка - глобіну. Гемоглобін дорослої людини (НВА) містить дві ідентичні -ланцюга і дві -ланцюга. молекула -ланцюга містить 141 амінокислотних залишків, -ланцюжок - 146, - і -ланцюга розрізняються за багатьма амінокислотним залишкам. Амінокислотна послідовність кожної глобіновой ланцюга кодується своїм власним геном. Ген, що кодує -ланцюг розташовується в короткому плечі 16 хромосоми, -ген - в короткому плечі 11 хромосоми. Заміна в гені, що кодує -ланцюг гемоглобіну першого або другого нуклеотиду практично завжди призводить до появи в білка нових амінокислот, порушення функцій гемоглобіну і важким наслідки для хворого. Наприклад, заміна "Ц" в одному з триплетів ЦАУ (гістидин) на "У" - призведе до появи нового триплетів УАУ, що кодує іншу амінокислоту - тирозин Фенотипічно це проявиться в тяжкому захворюванні .. Аналогічна заміна в 63 положенні -ланцюга поліпептиду гистидина на тирозин призведе до дестабілізації гемоглобіну. Розвивається захворювання метгемоглобінемія. Заміна, в результаті мутації, глутамінової кислоти на валін в 6-му положенні -ланцюга є причиною важкого захворювання - серповидно-клітинної анемії. Не будемо продовжувати сумний список. Відзначимо тільки, що при заміні перших двох нуклеотидів може з'явиться амінокислота за фізико-хімічними властивостями схожа на колишню. Так, заміна 2-го нуклеотиду в одному з триплетів, що кодує глутамінової кислоти (ДАА) в -ланцюга на "У" призводить до появи нового триплетів (ГУА), що кодує валін, а заміна першого нуклеотиду на "А" формує триплет ААА, що кодує амінокислоту лізин. Глутамінова кислота і лізин подібні за фізико-хімічними властивостями - вони обидві гідрофільних. Валін - гідрофобна амінокислота. Тому, заміна гидрофильной глютамінової кислоти на гідрофобний валін, значно змінює властивості гемоглобіну, що, в кінцевому підсумку, призводить до розвитку серповидноклітинної анемії, заміна ж гидрофильной глютамінової кислоти на гідрофільний лізин в меншій мірі змінює функцію гемоглобіну - у хворих виникає легка форма недокрів'я. В результаті заміни третього підстави новий триплет може кодувати тугіше амінокислоти, що і колишньої. Наприклад, якщо в триплеті ЦАУ урацил був замінений на цитозин і виник триплет цяць, то практично ніяких фенотипічних змін у людини виявлено не буде. Це зрозуміло, тому що обидва триплета кодують одну і ту ж саму амінокислоту - гістидин.

У висновку доречно підкреслити, що вирожденність генетичного коду і вирожденність третього підстави з общебиологических позиція є захисними механізмами, які закладені в еволюції в унікальній структурі ДНК і РНК.

в. Однозначність.

Кожен триплет (крім безглуздих) кодує тільки одну амінокислоту. Таким чином, в напрямку кодон - амінокислота генетичний кододнозначний, в напрямку амінокислота - кодон - неоднозначний (вироджених).

однозначний

кодон амінокислота

вироджений

І в цьому випадку необхідність однозначності в генетичному коді очевидна. При іншому варіанті при трансляції одного і того ж кодону в білковий ланцюжок убудовувалися б різні амінокислоти і в підсумку формувалися білків з різною первинною структурою і різної функцією. Метаболізм клітини перейшов би в режим роботи «один ген - кілька поіпептідов». Зрозуміло, що в такій ситуації регулююча функція генів була б повністю втрачена.

м Полярність

Зчитування інформації з ДНК і з іРНК відбувається тільки в одному напрямку. Полярність має важливе значення для визначення структур вищого порядку (вторинної, третинної і т.д.). Раніше ми говорили про те, що структури нижчого порядку визначають структури більш високого порядку. Третинна структура і структури більш високого порядку у білків, формуються відразу ж як тільки синтезована ланцюжок РНК відходить від молекули ДНК або ланцюжок поліпептиду відходить від рибосоми. У той час коли вільний кінець РНК або поліпептиду набуває третинну структуру, інший кінець ланцюжка ще продовжує синтезуватися на ДНК (якщо транскрибується РНК) або рибосоми (якщо транскрибується поліпептид).

Тому односпрямований процес зчитування інформації (при синтезі РНК і білка) має істотне значення не тільки для визначення послідовності нуклеотидів або амінокислот в синтезованих речовині, але для жорсткої детермінації вторинної, третинної і т.д. структур.

д. Неперекриваемость.

Код може бути перекриваються і не перекриваються. У більшості організмів код не перекривається. Код, що перекривається знайдений у деяких фагів.

Сутність не перекриває коду полягає в тому, що нуклеотид одного кодону не може бути одночасно нуклеотидом іншого кодону. Якби код був перекриває, то послідовність із семи нуклеотидів (ГЦУГЦУГ) могла кодувати не дві амінокислоти (аланін-аланін) (рис.33, А) як у випадку з не перекриваються кодом, а три (якщо загальним є один нуклеотид) (рис . 33, Б) або п'ять (якщо загальними є два нуклеотиду) (див. рис. 33, В). В останніх двох випадках мутація будь-якого нуклеотиду привела б до порушення в послідовності двох, трьох і т.д. амінокислот.

Однак встановлено, що мутація одного нуклеотиду завжди порушує включення в поліпептид однієї амінокислоти. Це суттєвий аргумент на користь того, що код є не перекриваються.

Пояснимо це на малюнку 34. Жирними лініями показані триплети кодують амінокислоти в разі не перекривати і перекривати коду. Експерименти однозначно показали, що генетичний код є не перекриваються. Не вдаючись в деталі експерименту відзначимо, що якщо замінити в послідовності нуклеотидів (див. Рис.34) третій нуклеотидУ (Відзначений зірочкою) на будь-якій іншій то:

1. При неперекривающіхся коді контрольований цією послідовністю білок мав би заміну однієї (першої) амінокислоті (відзначена зірочками).

2. При перекривати коді в варіанті А сталася б заміна в двох (першої та другої) амінокислотах (відзначені зірочками). При варіанті Б заміна торкнулася б трьох амінокислот (відзначені зірочками).

Однак численні досліди показали, що при порушенні одного нуклеотиду в ДНК, порушення в білку завжди стосуються тільки однієї амінокислоти, що характерно для неперекривающіхся коду.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УДЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УДЦ ГЦУ ЦУГ

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

Аланін - Аланин Ала - Цис - Лей Ала - Лей - Лей - Ала - Лей

А Б В

Чи не перекривається код перекривати код

Мал. 34. Схема, що пояснює наявність в геномі не перекривати коду (пояснення в тексті).

Неперекриваемость генетичного коду пов'язана з ще однією властивістю - зчитування інформації починається з певної точки - сигналу ініціації. Таким сигналом ініціації в іРНК є кодон, що кодує метіонін АУГ.

Слід зазначити, що у людини все-таки є невелике число генів, які відступають від загального правилаі перекриваються.

е. Компактність.

Між кодонами немає розділових знаків. Іншими словами триплети не відокремлені один від одного, наприклад, одним нічого не значущим нуклеотидів. Відсутність в генетичній коді «знаків пунктуації» було доведено в експериментах.

ж. Універсальність.

Код єдиний для всіх організмів, що живуть на Землі. Прямий доказ універсальності генетичного коду було отримано при порівнянні послідовностей ДНК з відповідними білковими послідовностями. Виявилося, що у всіх бактеріальних і еукаріотичних геномах використовується одні й ті ж набори кодових значень. Є й винятки, але їх не багато.

Перші виключення з універсальності генетичного коду були виявлені в мітохондріях деяких видів тварин. Це стосувалося кодону термінатора УГА, який читався так само як кодон УГГ, що кодує амінокислоту триптофан. Були знайдені і інші більш рідкісні відхилення від універсальності.

Кодова система ДНК.

Генетичний код ДНК складається з 64 кодонів нуклеотидів. Ці триплети називають кодонами. Кожен кодон кодує одну з 20 амінокислот, які використовуються в синтезі білків. Це дає деяку надмірність в коді: більшість амінокислот кодується більш ніж одним кодоном.
Один кодон виконує дві взаємопов'язані функції: сигналізує про початок переказу і кодує включення амінокислоти метіоніну (Met) в зростаючу поліпептидний ланцюг. Кодова система ДНК влаштована так, що генетичний код може бути виражений або як РНК-кодонами, або кодонаміДНК. РНК-кодони зустрічаються в РНК (мРНК) і ці кодони здатні читати інформацію в процесі синтезу поліпептидів (процес, званий перекладом). Але кожна молекула мРНК набуває послідовність нуклеотидів в транскрипції з відповідного гена.

Все, крім двох амінокислот (Met і Trp) можуть бути закодовані за допомогою від 2 до 6 різних кодонів. Проте, геном більшості організмів показує, що певні кодони кращі в порівнянні з іншими. У людини, наприклад, аланін кодується GCC чотири рази частіше, ніж в GCG. Це, ймовірно, свідчить про більшу ефективність перекладу апарату трансляції (наприклад, рибосоми) для деяких кодонів.

Генетичний код є майже універсальним. Ті ж кодони призначені на ту саму ділянку амінокислот і тим же сигнали пуску і зупинки в переважній більшості збігаються у тварин, рослин і мікроорганізмів. Тим не менш, деякі виключення були знайдені. Більшість з них включають призначення одного або двох з трьох стоп-кодонів до амінокислоти.

Генетичний код - це спосіб кодування послідовності амінокислот в молекулі білка за допомогою послідовності нуклеотидів в молекулі нуклеїнової кислоти. Властивості генетичного коду випливають з особливостей цього кодування.

Кожній амінокислоті білка зіставляється у відповідність три поспіль нуклеотиду нуклеїнової кислоти - триплет, або кодон. Кожен з нуклеотидів може містити одне з чотирьох азотистих основ. У РНК це аденін(A), урацил(U), гуанін(G), цитозин(C). По-різному комбінуючи азотисті основи (в даному випадку містять їх нуклеотиди) можна отримати безліч різних триплетів: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC і т. Д. Загальна кількість можливих комбінацій - 64, т. Е. 4 3.

До складу білків живих організмів входить близько 20 амінокислот. Якби природа «задумала» кодувати кожну амінокислоту не трьом, а двома нуклеотидами, то різноманітності таких пар не вистачило б, так як їх виявилося б всього 16, тобто 4 2.

Таким чином, основну властивість генетичного коду - його триплетність. Кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів.

Оскільки можливих різних триплетів істотно більше, ніж використовуваних в біологічних молекулах амінокислот, то в живій природі було реалізовано таку властивість як надмірністьгенетичного коду. Багато амінокислоти стали кодуватися не одним кодоном, а кількома. Наприклад, амінокислота гліцин кодується чотирма різними кодонами: GGU, GGC, GGA, GGG. Надмірність також називають виродження.

Відповідність між амінокислотами і кодонами відображають у вигляді таблиць. Наприклад, таких:

По відношенню до нуклеотидам генетичний код має таку властивість як однозначність(або специфічність): Кожен кодон відповідає тільки однієї амінокислоті. Наприклад, кодоном GGU можна закодувати тільки гліцин і більше ніяку іншу амінокислоту.

Ще раз. Надмірність - це про те, що кілька кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту. Специфічність - кожен конкретний кодон може кодувати тільки одну амінокислоту.

У генетичному коді немає спеціальних знаків пунктуації (якщо не брати до уваги стоп-кодонів, що позначають закінчення синтезу поліпептиду). Функцію розділових знаків виконують самі триплети - закінчення одного позначає, що слідом почнеться інший. Звідси випливають такі дві властивості генетичного коду: безперервністьі неперекриваемость. Під безперервність розуміють зчитування триплетів відразу один за одним. Під неперекриваемостью - то, що кожен нуклеотид може входити до складу лише одного триплету. Так перший нуклеотид наступного триплета завжди стоїть після третього нуклеотиду попереднього триплета. Кодон не може початися з другого або третього нуклеотиду попереднього кодону. Іншими словами, код не перекривається.

Генетичний код має властивість універсальності. Він єдиний для всіх організмів на Землі, що говорить про єдність походження життя. При цьому зустрічаються дуже рідкісні винятки. Наприклад, деякі триплети мітохондрій і хлоропластів кодують інші, а не звичайні для них, амінокислоти. Це може говорити про те, що на зорі розвитку життя існували трохи різні варіації генетичного коду.

Нарешті, генетичний код має помехоустойчивостью, Яка є наслідком такого його властивості як надмірність. Точкові мутації, іноді відбуваються в ДНК, зазвичай призводять до заміни одного азотистого підстави на інше. При цьому змінюється триплет. Наприклад, було AAA, після мутації стало AAG. Однак подібні зміни не завжди приводять до зміни амінокислоти в синтезованих поліпептиді, так як обидва триплета через властивості надмірності генетичного коду можуть відповідати одній амінокислоті. З огляду на, що мутації частіше шкідливі, властивість завадостійкості корисно.

Класифікація генів

1) За характером взаємодії в аллельной парі:

Домінантний (ген, здатний пригнічувати прояв аллельного йому рецесивного гена); - рецесивний (ген, прояв якого придушене алельним йому домінантним геном).

2) Функціональна класифікація:

2) Генетичний код- це певні поєднання нуклеотидів і послідовність їх розташування в молекулі ДНК. Це властивий всім живим організмам спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди - аденін (А), гуанін (G), цитозин (С), тимін (T), які в російськомовній літературі позначаються буквами А, Г, Т і Ц. Ці букви складають алфавіт генетичного коду. У РНК використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком тиміну, який замінений схожим нуклеотидом - урацілом, який позначається буквою U (У в російськомовній літературі). У молекулах ДНК і РНК нуклеотиди шикуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних букв.

генетичний код

Для побудови білків в природі використовується 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або кілька ланцюжків амінокислот в строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, а отже всі його біологічні властивості. Набір амінокіcлот також універсальний для майже всіх живих організмів.

Реалізація генетичної інформації в живих клітинах (тобто синтез білка, що кодується геном) здійснюється за допомогою двох матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу мРНК на матриці ДНК) і трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез поліпептидного ланцюга на матриці іРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також сигналу «стоп», що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір з трьох нуклеотидів називається кодоном. Прийняті скорочення, відповідні амінокислотам і кодонам, зображені на малюнку.

Властивості генетичного коду

1. триплетність- значущою одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (триплет, або кодон).

2. безперервність- між триплетами немає розділових знаків, тобто інформація зчитується безперервно.

3. дискретність- один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або болеетріплетов.

4. специфічність- певний кодон відповідає тільки однієї амінокислоті.

5. Виродженість (надмірність)- однієї і тієї ж амінокислоті може відповідати декілька кодонів.

6. універсальність - генетичний кодпрацює однаково в організмах різного рівня складності - від вірусів до людини. (На цьому засновані методи генної інженерії)

3) транскрипція - процес синтезу РНК з використанням ДНК в якості матриці, що відбувається у всіх живих клітинах. Іншими словами, це перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК.

Транскрипція каталізується ферментом ДНК-залежною РНК-полімеразою. Процес синтезу РНК протікає в напрямку від 5 "- до 3" - кінець, тобто по матричної ланцюга ДНК РНК-полімераза рухається в напрямку 3 "-> 5"

Транскрипція складається з стадій ініціації, елонгації та термінації.

ініціація транскрипції- складний процес, який залежить від послідовності ДНК поблизу транскрибируемой послідовності (а у еукаріот також і від більш далеких ділянок геному - енхансером і сайленсери) і від наявності або відсутності різних білкових факторів.

елонгація- триває подальше розплітання ДНК і синтез РНК по кодує ланцюга. він так само як і синтез ДНК здійснюється в напрямку 5-3

Терминация- як тільки полімераза досягає термінатора, вона негайно отщепляется від ДНК, локальний гібрид ДНК - РНК руйнується і новосинтезовані РНК траспортується з ядра в цитоплазму на цьому транскрипція завершується.

процесинг- сукупність реакцій, що ведуть до перетворення первинних продуктів транскрипції і трансляції в функціонуючі молекули. П. піддаються функціонально неактивні молекули-попередники разл. рибонуклеїнових к-т (тРНК, рРНК, мРНК) і мн. білків.

У процесі синтезу катаболічних ферментів (розщеплюють суб-страти) у прокаріотів відбувається індукований синтез ферментів. Це дає клітці можливість пристосовуватися до умов довкілляі економити енергію, припиняючи синтез відповідного ферменту, якщо потреба в ньому зникає.
Для індукції синтезу катаболічних ферментів обов'язкові такі умови:

1. Фермент синтезується тільки тоді, коли розщеплення відповідного субстрату необхідно для клітини.
2. Концентрація субстрату в середовищі повинна перевищити певний рівень, перш ніж відповідний фермент зможе утворитися.
Найбільш добре вивчений механізм регуляції експресії генів у кишкової палички на прикладі lac-оперону, який контролює синтез трьох катаболічних ферментів, що розщеплюють лактозу. Якщо в клітці багато глюкози і мало лактози, промотор залишається неактивним, а на операторі знаходиться білок репрессор - блокується транскрипція lac-оперону. Коли кількість глюкози в середовищі, а отже і в клітці, зменшується, а лактози збільшується, відбуваються такі події: кількість циклічного аденозинмонофосфату збільшується, він зв'язується з САР -белком - цей комплекс активує промотор, з яким з'єднується РНК-полімераза; в цей же час надлишок лактози з'єднується з білком-репрессором і звільняє від нього оператор - шлях для РНК-полімерази відкритий, починається транскрипція структурних генів lac -оперона. Лактоза виступає в якості індуктора синтезу тих ферментів, які її розщеплюють.

5) Регуляція експресії генів у еукаріотпротікає набагато складніше. Різні типи клітин багатоклітинного еукаріотичного організму синтезують ряд однакових білків і в той же час вони відрізняються один від одного набором білків, специфічних для клітин даного типу. Рівень продукції залежить від типу клітин, а також від стадії розвитку організму. Регуляція експресії генів здійснюється на рівні клітини і на рівні організму. Гени еукаріотів діляться на дваосновні види: перший визначає універсальність клітинних функцій, другий - детермінує (визначає) спеціалізовані клітинні функції. функції генів першої групипроявляються у всіх клітинах. Для здійснення диференційованих функцій спеціалізовані клітини повинні експресувати певний набір генів.
Хромосоми, гени і Оперон еукаріотів мають ряд структурно-функціональних особливостей, що пояснює складність експресії генів.
1. оперон еукаріотів мають кілька генів - регуляторів, які можуть розташовуватися в різних хромосомах.
2. Структурні гени, які контролюють синтез ферментів одного біохімічного процесу, можуть бути зосереджені в декількох оперон, розташованих не тільки в одній молекулі ДНК, а й в декількох.
3. Складна послідовність молекули ДНК. Є інформативні та неінформативні ділянки, унікальні і багаторазово повторювані інформативні послідовності нуклеотидів.
4. Еукаріотичні гени складаються з екзонів і інтронів, причому дозрівання і-РНК супроводжується вирізанням интронов з відповідних первинних РНК-транскриптів (про-і-РНК), тобто сплайсингом.
5. Процес транскрипції генів залежить від стану хроматину. Локальна компактизація ДНК повністю блокує синтез РНК.
6. Транскрипція в клітині не завжди пов'язана з трансляцією. Синтезована і-РНК може тривалий час зберігатися у вигляді інформосом. Транскрипція і трансляція відбуваються в різних компартментах.
7. Деякі гени еукаріот мають непостійну локалізацію (лабільні гени або транспозони).
8. Методи молекулярної біології виявили гальмівну дію білків-гістонів на синтез і-РНК.
9. У процесі розвитку і диференціювання органів активність генів залежить від гормонів, які циркулюють в організмі і викликають специфічні реакціїв певних клітинах. У ссавців важливе значення має дію статевих гормонів.
10. У еукаріот на кожному етапі онтогенезу експресуватися 5-10% генів, інші повинні бути заблоковані.

6) Репарація генетичного матеріалу

репарація генетична- процес усунення генетичних ушкоджень і відновлення спадкового апарату, що протікає в клітинах живих організмів під дією спеціальних ферментів. Здатність клітин до репарації генетичних ушкоджень вперше була виявлена ​​в 1949 році американським генетиком А.Кельнером. репарація- особлива функція клітин, яка полягає в здатності виправляти хімічні пошкодження і розриви в молекулах ДНК, пошкодженої при нормальному біосинтезі ДНК в клітині або в результаті впливу фізичних або хімічних агентів. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини. Ряд спадкових хвороб (напр., Пігментна ксеродерма) пов'язаний з порушеннями систем репарації.

види репарацій:

Пряма репарація найбільш простий шлях усунення пошкоджень в ДНК, в якому зазвичай задіяні специфічні ферменти, здатні швидко (як правило, в одну стадію) усувати відповідне пошкодження, відновлюючи вихідну структуру нуклеотидів. Так діє, наприклад, O6-метілгуанін-ДНК-метилтрансфераза, яка знімає метильную групу з азотистої основи на один з власних залишків цистеїну.

Речовинами, відповідальними за зберігання та передачу генетичної інформації, є нуклеїнові кислоти(ДНК і РНК).

Всі функції клітин і організму в цілому визначаються набором білків, що забезпечують

• утворення клітинних структур,
• синтез всіх інших речовин (вуглеводів, жирів, нуклеїнових кислот),
• протікання процесів життєдіяльності.

У геномі міститься інформація про послідовність амінокислот у всіх білках організму. Саме ця інформація і називається генетичною інформацією .

За рахунок регуляції генів регулюється час синтезу білків, їх кількість, місце знаходження в клітці або в організмі в цілому. Багато в чому за це відповідають регуляторні ділянки ДНК, які посилюють і послабляють експресію генів у відповідь на ті чи інші сигнали.

Інформація про білку може бути записана в нуклеїнової кислоти тільки одним способом - у вигляді послідовності нуклеотидів. ДНК побудована з 4 видів нуклеотидів (А, Т, Г, Ц), а білки - з 20 видів амінокислот. Таким чином, виникає проблема перекладу четирёхбуквенной запису інформації в ДНК в двадцатібуквенную запис білків. Співвідношення, на основі яких здійснюється таке переведення, називаються генетичним кодом.

Першим проблему генетичного коду теоретично розглянув видатний фізик Георгій Гамов.Генетичний код має певним набором властивостей, які будуть розглянуті нижче.

чому необхідний генетичний код?

Раніше ми говорили про те, що всі реакції в живих організмах здійснюються під дією ферментів, і саме здатність ферментів сполучати реакції дає можливість клітинам синтезувати біополімери за рахунок енергії гідролізу АТФ. У разі простих лінійних гомополімерів, тобто полімерів, що складаються з однакових одиниць, для такого синтезу досить одного ферменту. Для синтезу полімеру, що складається з двох змінних мономерів, необхідно два ферменти, трьох - три і т. Д. Якщо полімер розгалужена, необхідні додаткові ферменти, що утворюють зв'язку в точках розгалуження. Таким чином, при синтезі деяких складних полімерів бере участь більше десяти ферментів, кожен з яких відповідає за приєднання певного мономера в певному місці і певною зв'язком.

Однак при синтезі нерегулярних гетерополімера (тобто полімерів без повторюваних ділянок) з унікальною структурою, таких як білки і нуклеїнові кислоти, такий підхід в принципі неможливий. Фермент може приєднати певну амінокислоту, але не може визначити, в якому місці поліпептидного ланцюга її треба поставити. В цьому і полягає основна проблема біосинтезу білків, рішення якої неможливо при використанні звичайного ферментативного апарату. Необхідний додатковий механізм, який використовує якесь джерело інформації про порядок амінокислот в ланцюзі.

Для вирішення цієї проблеми Кольцовзапропонував матричниймеханізм синтезу білків. Він вважав, що молекула білка є основою, матрицею для синтезу таких же молекул, т. Е. Проти кожного амінокислотного залишку в поліпептидного ланцюга ставиться таке ж амінокислота в синтезується нової молекулі. Ця гіпотеза відображала рівень знання тієї епохи, коли всі функції живого зв'язувалися з певними білками.

Однак пізніше з'ясувалося, що речовиною, що зберігає генетичну інформацію, є нуклеїнові кислоти.

Властивості ГЕНЕТИЧНОГО КОДА

Колінеарну (лінійність)

Спочатку ми розглянемо, як в послідовності нуклеотидів записана послідовність амінокислот в білках. Логічно припустити, що, оскільки послідовності нуклеотидів і амінокислот лінійні, то між ними існує лінійна відповідність, т. Е. Розташованим поруч нуклеотидам в ДНК відповідають розташовані поруч амінокислоти в поліпептиді. На це ж вказує лінійний характер генетичних карт. Доказом такого лінійного відповідності, або коллинеарности,є збіг лінійного розташування мутацій на генетичній карті і амінокислотних замін в білках мутантних організмів.

триплетність

При розгляді властивостей коду найрідше постає питання про кодовому числі. Необхідно закодувати 20 амінокислот чотирма нуклеотидами. Очевидно, що 1 нуклеотид не може кодувати 1амінокислоту, т. К. Тоді було б можливо закодувати тільки 4 амінокислоти. Для того щоб закодувати 20 амінокислот, потрібні комбінації з декількох нуклеотидів. Якщо взяти комбінації з двох нуклеотидів, то ми отримаємо 16 різних комбінацій ($ 4 ^ 2 $ = 16). Цього не достатньо. Комбінацій з трьох нуклеотидів буде вже 64 ($ 4 ^ 3 $ = 64), т. Е. Навіть більше, ніж потрібно. Зрозуміло, що комбінації з більшого числануклеотидів теж могли б бути використані, але з міркувань простоти та економії вони малоймовірні, т. е. код триплетний.

вирожденність і однозначність

У разі 64 комбінацій виникає питання, чи всі комбінації кодують амінокислоти або кожної амінокислоті відповідає тільки один триплет нуклеотидів. У другому випадку велика частина триплетів була б безглуздою, а заміни нуклеотидів в результаті мутацій в двох третинах випадків приводили б до втрати білка. Це не соответствовует спостережуваним частотам втрати білка при мутаціях, що вказує на використання всіх або майже всіх триплетів. Надалі було з'ясовано, що існують три триплета, що не кодують амінокислот. Вони служать для того, щоб позначати кінець поліпептидного ланцюжка. Їх називають стоп-кодонами. 61 триплет кодує різні амінокислоти, т. Е. Одна амінокислота може кодуватися кількома триплету. Це властивість генетичного коду називається виродження.Виродженість має місце тільки в напрямку від амінокислот до нуклеотидам, в зворотному напрямку код однозначний, тобто кожен триплет кодує одну певну амінокислоту.

розділові знаки

Важливе питання, вирішити який теоретично виявилося неможливим, яким чином триплети, що кодують сусідні амінокислоти, відокремлюються одна від одної, тобто. Е. Чи є в генетичному тексті розділові знаки.

Відсутність ком - експерименти

Дотепні експерименти Крика і Бреннера дозволили дізнатися, чи є «коми» в генетичних текстах. В ході цих експериментів вчені за допомогою мутагенних речовин (акридиновим барвників) викликали виникнення певного типу мутацій - випадання або вставки 1 нуклеотиду. Виявилося, що випадання або вставка 1 або 2 нуклеотидів завжди викликає поломку кодованого білка, а ось випадання або вставка 3 нуклеотидів (або числа, кратного 3) практично не позначається на функції кодованого білка.

Уявімо собі, що у нас є генетичний текст, побудований з повторюваної трійки нуклеотидів АВС (рис. 1, а). У разі, якщо розділових знаків немає, вставка одного додаткового нуклеотиду призведе до повного спотворення тексту (рис. 1, а). Були отримані мутації бактеріофага, розташовані на генетичній карті близько один від одного. При схрещуванні двох фагів, що несуть такі мутації, виникав гібрид, що несе дві однобуквені вставки (рис. 1, б). Зрозуміло, що зміст тексту губився і в цьому випадку. Якщо ж ввести ще одну однобуквеним вставку, то після короткого неправильного ділянки сенс відновиться і є шанс отримати функціонуючий білок (рис. 1, в). Це вірно для триплетного коду при відсутності розділових знаків. Якщо кодове число інше, то і кількість необхідних для відновлення сенсу вставок буде іншим. Якщо ж в коді є розділові знаки, то вставка порушить читання тільки одного триплетів, а весь інший білок буде синтезуватися правильно і збереже активність. Експерименти показали, що однобуквені вставки завжди призводять до зникнення білка, а відновлення функції відбувається, коли число вставок кратно 3. Таким чином була доведена триплетність генетичного коду і відсутність внутрішніх розділових знаків.

неперекриваемость

Гамов припустив, що код перекривається, т. Е. Перший, другий і третій нуклеотиди кодують першу амінокислоту, другий, третій і четвертий - другу амінокислоту, третій, четвертий і п'ятий - третю і т. Д. Така гіпотеза створювала видимість вирішення просторових утруднень, але створювала іншу проблему. При такому кодуванні за даної амінокислотою не могла йти будь-яка інша, так як в кодує її триплеті два перших нуклеотиду вже були визначені, і число можливих триплетів знижувалося до чотирьох. Аналіз послідовностей амінокислот в білках показав, що зустрічаються всі можливі пари сусідніх амінокислот, т. Е. Код повинен бути неперекривающіхся.

універсальність

розшифровка коду

Коли основні властивості генетичного коду були вивчені, почалися роботи по його розшифровці і були визначені значення всіх триплетів (див. Рис.). Триплет, що кодує певну амінокислоту, отримав назву кодону.Як правило, указуються кодони в мРНК, іноді - в смисловий ланцюга ДНК (ті ж кодони, але з заміною У на Т). Для деяких амінокислот, наприклад, метіоніну, існує тільки один кодон. Інші мають по два кодони (фенілаланін, тирозин). Є амінокислоти, які кодуються трьома, чотирма і навіть шістьма кодонами. Кодони однієї амінокислоти схожі один на одного і, як правило, відрізняються одним останнім нуклеотидів. Це робить генетичний код більш стійким, так як заміна останнього нуклеотиду в кодоні при мутаціях не веде до заміни амінокислоти в білку. Знання генетичного коду дозволяє нам, знаючи послідовність нуклеотидів в гені, виводити послідовність амінокислот у білку, що широко використовується в сучасних дослідженнях.