Способ записи наследственной информации в молекуле ДНК. Генетический код и его свойства.

Генетический код свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Развитие проблемы генетического кода прошло несколько этапов. В частности, Н.К. Кольцов (1927, 1935) предложил в общей форме идею молекулы-гена и матричный принцип ее дублирования Э. Шрёдингер (1944) явно сформулировал необходимость кодирования генетической информации в структуре генов-молекул П. Колдуэлл и С. Хиншельвуд (1950) предложили идею матричного синтеза белков на ДНК А. Даунс (1952) сформулировал гипотезу о синтезе белков на РНК.

Постановка проблемы генетического кода и теоретическое рассмотрение некоторых возможных его вариантов принадлежат А. Даунсу (1952) и Г. Гамову (1954)

Многообразие жизни обусловлено разнообразием белковых молекул, выполняющих различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в пептидных цепях. Эти качества белков зашифрованы в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Первая гипотеза о строении генетического кода появилась уже в 1954 г. Г. Гамов предположил, что кодирование информации в молекулах ДНК осуществляется сочетаниями нескольких нуклеотидов. Очевидно, что однозначного соответствия «1 нуклеотид - 1 аминокислота» в коде быть не может. Дуплетный код «2 нуклеотида – одна аминокислота» обеспечивает кодирование лишь 16 аминокислот. Лишь триплетныйй код обеспечивает шифровку 20 различных аминокислот - каждой аминокислоте соответствует три, рядом стоящие, нуклеотида.

Можно выделить 3 этапа в мировой истории, посвященные изучению генетического кода. Первый этап ( ) можно назвать гипотетическим. Научными результатами первого этапа можно считать: 1. постановку проблемы генетического кода 2. формирование понятий линейного текста, алфавита для нуклеиновых кислот и белков, генетической информации, записанной в этих текстах при помощи символов алфавита 3. представление о матричной роли РНК в трансляции 4. понятие о кодонах и доказательство их неперекрывания 5. предположение о триплетности кодонов и коллинеарности гена и белка, доказанное лишь в дальнейшем, и т.д.

Второй этап ( ) можно назвать экспериментальным, так как в этот период генетический код был расшифрован в прямом эксперименте. (1961 г. Ф. Крик): 1. кодоны триплетный 2. между ними нет разделительных знаков ("запятых") 3.гены, кодирующие структуру белков, имеют фиксированное начало, ориентированное направление и фиксированный конец 4. существует небольшое число некодирующих триплетов ("нонсенсов", бессмысленных кодонов), а код в целом сильно вырожден

Основные свойства генетического кода выявлены в 1961 году в генетических экспериментах Ф. Крика и С. Бреннера

Третий этап изучения проблемы генетического кода (после 1966 года) связан с углубленным исследованием молекулярных механизмов кодирования, системных свойств генетического кода: симметрии, регулярности, помехоустойчивости, универсальности, а также путей его возникновения и эволюции.

Расшифровка генетического кода, т. е. нахождение соответствия между кодонами и аминокислотами, осуществлена в работах американских биохимиков М. Ниренберга, С. Очао, Х. Кораны и др. в гг. В 1968 ГОДУ Маршалл Ниренберг вместе с биологами Робертом Холли и Хар Коранам получили Нобелевскую премию а области физиологии и медицины « за расшифровку генетического кода и установление механизма белкового синтеза»

Свойства генетического кода Триплетность значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон). Непрерывность между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. Неперекрываемость один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). Однозначность (специфичность) определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты цистеин и селеноцистеин)

Вырожденность (избыточность) одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Универсальность генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; но есть ряд исключений). Помехоустойчивость мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

Наличие межгенных знаков препинания Знак начала гена –лидерная последовательность (Shine– Dalgarno sequence)+ старт-кодон АУГ с кодона АУГ (иногда ГУГ, УУГ) начинается синтез любого белка. В начале гена прокариот он кодирует особую аминокислоту формилметионин. Если АУГ, ГУГ и УУГ встречаются в середине генов, они кодируют метионин, валин и лейцин, соответственно. Знак окончания гена – три СТОП-кодона СТОП-кодоны не кодируют аминокислот и синтез белка на них прекращается (UAA, UAG, UGA).

Вариации стандартного генетического кода Первый пример отклонения от стандартного генетического кода был открыт в 1979 году при исследовании генов митохондрий человека. С того времени было найдено несколько подобных вариантов, включая многообразные альтернативные митохондриальные коды, например, прочитывание стоп- кодона УГА в качестве кодона, определяющего триптофан у микоплазм. У бактерий и архей ГУГ и УУГ часто используются как стартовые кодоны. В некоторых случаях гены начинают кодировать белок со старт-кодона, который отличается от обычно используемого данным видом

В некоторых белках нестандартные аминокислоты, такие как селеноцистеин и пирролидин, вставляются рибосомой, прочитывающей стоп- кодон, что зависит от последовательностей в мРНК. Селеноцистеин сейчас рассматривается в качестве 21-й, а пирролидин 22-й аминокислот, входящих в состав белков. Несмотря на эти исключения, у всех живых организмов генетический код имеет общие черты: кодон состоят из трёх нуклеотидов, где два первых являются определяющими, кодоны транслируются тРНК и рибосомами в последовательность аминокислот. УГА (обычно стоп кодон) кодирует селеноцистеин в некоторых генах (зависит от сигнальных последовательностей в мРНК) УАГ (обычно стоп кодон) может кодировать пирролидин

Отклонения от стандартного генетического кода Пример Кодон Обычное значение Читается как: Некоторые виды дрожжей рода Candida CUGЛейцин Серин Митохондрии, в частности у Saccharomyces cerevisiae CU(U, C, A, G)Лейцин Серин Митохондрии высших растений CGGАргинин Триптофан Митохондрии (у всех без исключения исследованных организмов) UGAСтоп Триптофан Митохондрии млекопитающих, дрозофилы, S. cerevisiae и многих простейших AUAИзолейцин Метионин = Старт Прокариоты GUGВалин Старт Эукариоты (редко) CUGЛейцин Старт Эукариоты (редко) GUGВалин Старт Прокариоты (редко) UUGЛейцин Старт Эукариоты (редко) ACGТреонин Старт Митохондрии млекопитающих AGC, AGUСерин Стоп Митохондрии дрозофилы AGAАргинин Стоп Митохондрии млекопитающих AG(A, G)Аргинин Стоп

Виды передачи наследственной информации ДНК ДНК – репликация ДНК или синтез ДНК. ДНК РНК – транскрипция или синтез различных видов РНК. РНК белок – трансляция. РНК ДНК.