grad-green grad-gray grad-blue grad-red grad-pink grad-purple grad-yellow
Нести помощь людям

Вход на сайт

Вы здесь

Главная » Физиология » Молекулярная биология » Лекционный курс по Молекулярной биологии

Генетический код

 

Генетический код
 

Жизно основана на информационной связи трёх типов молекул: ДНК, РНК и белка. Эта связь основана на генетическом коде, позволяющем сохранять информацию при переходе от одного типа молекул к другому.

Генетический код обозначается и записывается триплетами РНК.

Определение понятия

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК.
Поскольку ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, то код записывается на языке РНК. В состав РНК вместо тимина входит урацил.
 
Свойства генетического кода
 
1. Триплетность
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.
Определение: триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.
 
2. Вырожденность
Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом:
2 АК по 1 триплету = 2.
9 АК по 2 триплета = 18.
1 АК 3 триплета = 3.
5 АК по 4 триплета = 20.
3 АК по 6 триплетов = 18.
Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.
3. Наличие межгенных знаков препинания
Определение:
Ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tPHK, rРНК или sPHK.
Гены tPHK, rPHK, sPHK белки не кодируют.
В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х триплетов, кодирующих терминирующие кодоны РНК, или стоп-сигналы. В мРНК они имеют следующий вид: UAA, UAG, UGA. Они терминируют (оканчивают) трансляцию.
Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. (См. лекцию 8) Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).
4. Однозначность
Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.
Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.
5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.
В 1961 г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактность.
Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген.
Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.
Эксперимент доказывает, что код тршплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами.
 
6. Универсальность
Генетический код един для всех живущих на Земле существ.
Это является сильнейшим свидетельством в пользу единства происхождения и эволюции.
В 1979 г. Беррел открыл идеальный код митохондрий человека.
Определение:
«Идеальным» называется генетический код, в котором выполняется правило вырожденности квазидублетного кода: Если в двух триплетах совпадают первые два нуклеотида, а третьи нуклеотиды относятся к одному классу (оба - пурины или оба - пиримидины), то эти триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту.
Из этого правила в универсальном коде есть два исключения. Оба отклонения от идеального кода в универсальном касаются принципиальных моментов: начала и конца синтеза белка:
Кодон
Универсальный
код
Митохондриальные коды
Позвоночные
Беспозвоночные
Дрожжи
Растения
UGA
STOP
Trp
Trp
Trp
STOP
AUA
Ile
Met
Met
Met
Ile
СUA
Leu
Leu
Leu
Thr
Leu
АGА
Arg
STOP
Ser
Arg
Arg
AGG
Arg
STOP
Ser
Arg
Arg
7. Помехоустойчивость
Определение: Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.
В каждом триплете можно провести 9 однократных замен. Общее количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549. Из них:
23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов трансляции.
134 замены не меняют кодируемую аминокислоту.
230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты.
162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются радикальными.
Из 183 замен 3-его нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 - консервативны.
Из 183 замен 1-ого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны и 60 - радикальны.
Из 183 замен 2-го нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 - консервативны, 102 - радикальны.
Итак: 364/162=2,25 (отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен) - показатель помехоустойчивости генетического кода.
8. Неперекрываемость
В 1956 г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода. Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене, входит в состав 3-х кодонов. Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем, т.е. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона.
Достоинства перекрываемого генетического кода: компактность, меньшая зависимость структуры белка от вставки или делеции нуклеотида.
Недостаток: большая зависимость структуры белка от замены нуклеотида и ограничение на соседей.
В 1976 г. была секвенирована ДНК фага φХ174. У него одноцепочечная кольцевая ДНК, состоящая из 5375 нуклеотидов. Было известно, что фаг кодирует 9 белков. Для 6 из них были определены гены, располагающиеся друг за другом.
Выяснилось,         что есть перекрывание. Ген Е полностью находится внутри гена D. Его инициирующий кодон появляется в результате сдвига считывания на один нуклеотид. Ген J начинается там, где кончается ген D. Инициирующий кодон гена J перекрывается с терминирующим кодоном гена D в результате сдвига на два нуклеотида. Конструкция называется "сдвиг рамки считывания" на число нуклеотидов, некратное трем. На сегодняшний день перекрывание показано только для нескольких фагов.
 
Информационная емкость ДНК
На Земле живет 6 миллиардов человек. Наследственная информация о них
заключена в 6x109 сперматозоидах. По разным оценкам у человека от 30 до 50
тысяч генов. У всех людей ~ 30x1013 генов или 30x1016 пар нуклеотидов, которые составляют 1017 кодонов. Средняя книжная страница содержит 25x102 знаков. ДНК 6x109 сперматозоидов содержит информацию, равную по объему примерно

4x1013 книжных страниц. Эти страницы заняли бы объем 6-и зданий НГУ. 6x109 сперматозоидов занимают половину наперстка. Их ДНК занимает менее четверти наперстка.

Источники: Дымшиц Г.М. Молекулярная биология: http://www.medliter.ru/?page=get&id=012131

В генетический алфавит добавили 4 новые буквы: Z, P, S, B (З, П, С, Б)

В классический генетический алфавит группа учёных из США добавила четыре новые буквы. Привычные нуклеотиды А, Г, Ц и Т обзавелись пополнением в виде набора из пар искусственных нуклеотидов Z-P и S-B (З-П и С-Б).

Синтетические аналоги естественных азотистых оснований, полученные химиками из расположенного во Флориде исследовательского центра Firebird Biomolecular Sciences, формируют пары по принципу комплиментарности, то есть, работают в целом так же, как и обычные нуклеотиды ДНК.

Новый ДНК-алфавит из восьми букв получил название "hachimoji DNA" или "хатимодзи-ДНК" (от японских слов "хати" и "модзи" — "восемь букв").

Ученые осуществили синтез двух новых пар нуклеотидов — З-П и Б-С. Они тоже удерживаются при помощи водородных связей, а также обладают регулярной структурой и не изменяющимися в зависимости от конкретной последовательности термодинамическими свойствами, которые несложно предсказать, зная общие принципы их образования.

Рис.  Искусственная хатимодзи-ДНК. Источник изображения: https://naked-science.ru/article/biology/sozdana-sinteticheskaya-dnk-s

Зачем вообще ученым понадобилось расширять генетический алфавит за счет синтезированных нуклеотидов?

Это нужно, например, для бар-кодирования генетических последовательностей при секвенировании, а также для получения наноструктур, способных хранить информацию вне клетки. Есть и другие экспериментальные применения новой "хатимодзи-ДНК", однако о них ученые пообещали рассказать со временем.

Источник: planet-today.ru

Поделиться с друзьями:
Ваша оценка: 
3.19231
Средняя: 3.2 (26 проголосовавших)