Біосинтез білка та нуклеїнових кислот. Гени, генетичний код

Раніше ми підкреслювали, що нуклеотиди мають важливу для формування життя на Землі особливість – за наявності в розчині одного полінуклеотидного ланцюжка спонтанно відбувається процес утворення другого (паралельного) ланцюжка на основі комплементарної сполуки споріднених нуклеотидів. Однакове число нуклеотидів, в обох ланцюжках та їх хімічна спорідненість, є неодмінною умовою для здійснення таких реакцій. Однак при синтезі білка, коли інформація з іРНК реалізується в структуру білка, ніякої мови про дотримання принципу комплементарності йти не може. Це з тим, що у иРНК, й у синтезованому білку по-різному як кількість мономерів, а й, що особливо важливо, відсутня структурне подібність з-поміж них (з одного боку нуклеотиди, з іншого амінокислоти). Зрозуміло, що в цьому випадку виникає необхідність створення нового принципу точного переведення інформації з полінуклеотиду до структури поліпептиду. В еволюції такий принцип було створено і в його основу було закладено генетичний код.

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

Генетичний код має кілька властивостей.

Триплетність.

Виродженість чи надмірність.

Однозначність.

Полярність.

Неперекриваність.

Компактність.

Універсальність.

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

а. Триплетність. Генетичний код, як і багато складно організованих систем, має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет – найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона із 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 у 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 нуклеотиди). Кодон – характеризує елементарну смислову одиницюгеному – три нуклеотиди визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.

Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, та був її існування підтвердили експериментально. 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом т.к. останніх всього 4. Три нуклеотиди з чотирьох дають 4 3 = 64 варіанти, що з надлишком перекриває число амінокислот, що є в живих організмах (див.табл. 1).

Подані у таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів триплетів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплети не кодують

Таблиця 1.

Кодони інформаційної РНК та відповідні їм амінокислоти

О с н о в а н і я до д о н о в




	Нонсенс	Нонсенс
	Нонсенс




		Міт



		Вал

амінокислота 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 із заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, із смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (у його інформаційній частині), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватись – синтезуватиметься лише перша (до стоп-сигналу) частина білка. У людини з такою патологією відчуватиметься нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цим браком. Наприклад, такого роду мутація виявлена в гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується вкорочений неактивний ланцюг гемоглобіну, який швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну, позбавлена бета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи повноцінно виконуватиме свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається на кшталт гемолітичної анемії (бета-нуль таласемія, від грецького слова «Таласа» - 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, знайдено відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдено. Отже, у процесі припинення синтезу білка тРНК не бере участі.

КодонАУГ (у бактерій іноді ГУГ) не тільки кодують амінокислоту метіонін та валін, але і єініціатором трансляції .

б. Виродженість чи надмірність.

61 з 64 триплетів кодують 20 амінокислот. Таке триразове перевищення числа триплетів над кількістю амінокислот дозволяє припустити, що у 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 використала останній варіант.

Його перевага очевидна. Якби з 64 варіанти триплетів у кодуванні амінокислот брало участь лише 20, то 44 триплети (з 64) залишалися б кодуючими, тобто. безглуздими (нонсенс-кодон). Раніше ми вказували, наскільки небезпечне для життєдіяльності клітини перетворення кодуючого триплету в результаті мутації в нонсенс-кодон - це суттєво порушує нормальну роботу РНК-полімерази, зумовлюючи зрештою розвиток захворювань. В даний час у нашому геномі три кодони є безглуздими, а тепер уявіть, що було б якщо число нонсенс-кодонів збільшиться приблизно в 15 разів. Зрозуміло, що в такій ситуації перехід нормальних кодонів у нонсенс-кодони буде набагато вище.

Код, у якому одна амінокислота кодується кількома триплетами, називається виродженим чи надлишковим. Майже кожну амінокислоту відповідає кілька кодонів. Так, амінокислота лейцин може кодуватися шістьма триплетами – УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валін кодується чотирма триплетами, фенілаланін - двома і тільки триптофан та метіонінкодуються одним кодоном. Властивість, яка пов'язана із записом однієї і тієї ж інформації різними символами носить назву виродженість.

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

І це, найімовірніше, не випадково. Чим більша частота 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 виродженості. З цих позицій виродженість генетичного коду є механізмом, що захищає геном людини від пошкоджень.

Слід зазначити, що термін виродженість використовується в молекулярній генетики та в іншому сенсі. Так основна частина інформації в кодоні припадає на перші два нуклеотиди, основа в третьому положенні кодону виявляється малоістотною. Цей феномен називають “виродженістю третьої основи”. Остання особливість зводить до мінімуму ефект мутацій. Наприклад, відомо, що основною функцією еритроцитів крові є перенесення кисню від легень до тканин та вуглекислого газу від тканин до легень. Здійснює цю функцію дихальний пігмент – гемоглобін, який заповнює всю цитоплазму еритроциту. Складається він із білкової частини – глобіну, який кодується відповідним геном. Крім білка, в молекулу гемоглобіну входить гем, що містить залізо. Мутації у глобінових генах призводять до появи різних варіантів гемоглобінів. Найчастіше мутації пов'язані з заміною одного нуклеотиду на інший та появою в гені нового кодонуякий може кодувати нову амінокислоту в поліпептидному ланцюгу гемоглобіну У триплеті в результаті мутації може бути замінений будь-який нуклеотид - перший, другий або третій. Відомо кілька сотень мутацій, що зачіпають цілісність генів глобіну. Біля 400 з них пов'язані із заміною одиничних нуклеотидів у гені та відповідною амінокислотною заміною в поліпептиді. З них тільки 100 замін призводять до нестабільності гемоглобіну та різноманітних захворювань від легень до дуже важких. 300 (приблизно 64%) мутацій-замін не впливають на функцію гемоглобіну та не призводять до патології. Однією з причин цього є згадана вище "виродженість третьої основи", коли заміна третього нуклеотиду в триплеті, що кодує серин, лейцин, пролін, аргінін і деякі інші амінокислоти призводить до появи кодона-синоніма, що кодує ту ж амінокислоту. Фенотипово така мутація не виявиться. На відміну від цього, будь-яка заміна першого або другого нуклеотиду в триплеті в 100% випадках призводить до появи нового варіанту гемоглобіну. Але й у разі важких фенотипічних порушень може й бути. Причиною цього є заміна амінокислоти в гемоглобіні на іншу подібну до першої за фізико-хімічними властивостями. Наприклад, якщо амінокислота, що має гідрофільні властивості, замінена на іншу амінокислоту, але з такими ж властивостями.

Гемоглобін складається із залізопорфіринової групи гему (до неї і приєднуються молекули кисню та вуглекислоти) та білка – глобіну. Гемоглобін дорослої людини (НвА) містить дві ідентичні -ланцюги та два -ланцюги. Молекула -ланцюга містить 141 амінокислотних залишків, -ланцюжок - 146, - І -ланцюги розрізняються за багатьма амінокислотними залишками. Амінокислотна послідовність кожного глобінового ланцюга кодується власним геном. Ген, що кодує -ланцюг розташовується в короткому плечі 16 хромосоми, -ген - у короткому плечі 11 хромосоми. Заміна в гені, що кодує -ланцюг гемоглобіну першого або другого нуклеотиду практично завжди призводить до появи у білка нових амінокислот, порушення функцій гемоглобіну та тяжких наслідків для хворого. Наприклад, заміна "Ц" в одному з триплетів ЦАУ (гістидин) на "У" - призведе до появи нового триплету УАУ, що кодує іншу амінокислоту - тирозин Фенотипово це проявиться у тяжкому захворюванні. Аналогічна заміна в 63 положенні -ланцюги поліпептиду гістидину на тирозин призведе до дестабілізації гемоглобіну Розвивається захворювання на метгемоглобінемію. Заміна внаслідок мутації глутамінової кислоти на валін у 6-му положенні -ланцюги є причиною найтяжчого захворювання - серповидно-клітинної анемії Не продовжуватимемо сумний список. Зазначимо лише, що з заміні перших двох нуклеотидів може з'явиться амінокислота по фізико-хімічним властивостям схожа колишню. Так, заміна 2-го нуклеотиду в одному з триплетів, що кодує глутамінову кислоту (ГАА) -ланцюга на "У" призводить до появи нового триплету (ГУА), що кодує валін, а заміна першого нуклеотиду на "А" формує триплет ААА, що кодує амінокислоту лізин. Глутамінова кислота та лізин подібні за фізико-хімічними властивостями – вони обидві гідрофільні. Валін – гідрофобна амінокислота. Тому, заміна гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофобний валін, значно змінює властивості гемоглобіну, що, зрештою, призводить до розвитку серповидноклітинної анемії, заміна ж гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофільний лізин меншою мірою змінює функцію гемоглобіну - у хворих виникає легка форма. В результаті заміни третьої основи новий триплет може кодувати тугіше амінокислоти, що і колишньої. Наприклад, якщо в триплеті ЦАУ урацил був замінений на цитозин і виник триплет ЦАЦ, то ніяких фенотипічних змін у людини виявлено не буде. Це відомо, т.к. обидва триплети кодують одну й тугішу амінокислоту – гістидин.

Наприкінці доречно наголосити, що виродженість генетичного коду та виродженість третьої основи із загальнобіологічної позиції є захисними механізмами, які закладені в еволюції в унікальній структурі ДНК та РНК.

в. Однозначність.

Кожен триплет (крім безглуздих) кодує лише одну амінокислоту. Таким чином, у напрямку кодон – амінокислота генетичний код однозначний, у напрямку амінокислота – кодон – неоднозначний (вироджений).

Однозначний

Кодон амінокислота

Вироджений

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

м. Полярність

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

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

д. Неперекриваність.

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

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

Однак встановлено, що мутація одного нуклеотиду завжди порушує включення до поліпептид однієї амінокислоти. Це істотний аргумент на користь того, що код є таким, що не перекривається.

Пояснимо це на малюнку 34. Жирними лініями показані триплети кодуючі амінокислоти у разі коду, що не перекривається і перекривається. Експерименти однозначно показали, що генетичний код є таким, що не перекривається. Не вдаючись до деталей експерименту відзначимо, що й замінити у послідовності нуклеотидів (див. рис.34) третій нуклеотидУ (відзначений зірочкою) на будь-якій іншій:

1. При коді, що не перекривається, контрольований цією послідовністю білок мав би заміну однієї (першої) амінокислоті (позначена зірочками).

2. При коді, що перекривається, у варіанті А відбулася б заміна в двох (першій і другій) амінокислотах (позначені зірочками). При варіанті Б заміна торкнулася б трьох амінокислот (позначені зірочками).

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

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

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

Аланін – Аланін Ала – Ціс – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей

А Б В

Код, що не перекривається Перекривається код

Рис. 34. Схема, що пояснює наявність у геномі коду, що не перекривається (пояснення в тексті).

Неперекриваність генетичного коду пов'язані з ще однією властивістю – зчитування інформації починається з певної точки – сигналу ініціації. Таким сигналом ініціації іРНК є кодон, що кодує метіонін АУГ.

Слід зазначити, що людина все-таки є невелика кількість генів, які відступають від загального правила і перекриваються.

е. Компактність.

Між кодонами немає розділових знаків. Іншими словами триплети не відокремлені один від одного, наприклад, одним нуклеотидом, що нічого не означає. Відсутність у генетичній коді «розділових знаків» було доведено в експериментах.

ж. Універсальність.

Код єдиний всім організмів що живуть Землі. Прямий доказ універсальності генетичного коду було отримано при порівнянні послідовностей ДНК з білковими послідовностями. Виявилося, що у всіх бактеріальних та еукаріотичних геномах використовуються одні й самі набори кодових значень. Є й винятки, але їх небагато.

Перші винятки з універсальності генетичного коду виявили в мітохондріях деяких видів тварин. Це стосувалося кодону термінатора УГА, який читався так само, як кодон УГГ, що кодує амінокислоту триптофан. Було знайдено й інші рідкісні відхилення від універсальності.

МОЗ. Генетичний код – це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів у ДНК або РНК, що утворюють кодони,

відповідні амінокислотам у білку.Генетичний код має кілька властивостей.

07.04.2015 13.10.2015

В епоху нано-технологій та новацій у всіх сферах життя людини необхідно знати багато чого для самовпевненості та спілкування з людьми. Технології двадцять першого століття зробили крок далеко, наприклад, у сфері медицини і генетики. У цій статті спробуємо докладно описати найголовніший крок людства у дослідженнях ДНК.

Опис коду ДНК

Що ж таке цей код? Код вироджений генетичними властивостями та займаються його дослідженням вчені генетики. Цим кодом наділені всі живі істоти нашої планети. Науково визначається як метод білкової послідовності амінокислот за допомогою ланцюжка нуклеотидів.
Так званий алфавіт складається з чотирьох основ, що позначаються А, Г, Т, Ц:
А – аденін,
Г – гуанін,
Т - тімін,
Ц – цитозин.
Ланцюг коду являє собою спіраль послідовно складених вище описаних основ, виходить, що кожній сходинці спіралі відповідає певна літера.
Вироджений код ДНК білками, які беруть участь у складанні та складаються з ланцюжків. У яких беруть участь двадцять видів амінокислот. Амінокислоти розкривного коду мають назву канонічні, вибудовуються певним чином у кожній істоті та утворюють білкові ланки.

Історія виявлення

Вивчення білків і кислот людство займається з давніх-давен, але перші гіпотези і постанова теорії про спадковість виникли тільки в середині ХХ століття. На цей час вчені зібрали достатню кількість знань цього питання.
У 1953 році дослідження показали, що білок окремого організму має унікальний ланцюжок з амінокислот. Далі було виведено, що цей ланцюжок не має жодного обмеження в поліпептиді.

Порівнювалися записи різних світових учених, які були різними. Тому сформувалося певне поняття: кожному гену відповідає певний поліпептид. В цей же час виникає назва ДНК, яка безперечно доведена, що не білок.
Дослідники Крик і Вотсон вперше говорили про матричну схему шифру, що пояснює, в 1953 році. У останній роботі великих вчених було доведено факт, що шифр є носієм інформації.

Згодом залишалося розібратися лише у питанні визначення та формування ланцюжків амінокислот білка, основи та властивості.

Першим ученим, який побудував гіпотезу генетичного кодування, був фізик Гамов, який також запропонував певний спосіб перевірки матриці.
Генетики припустили встановити відповідність між двома бічними перекладинами ланцюга амінокислот і ромбовидними сходинками, що утворюються. Ромбоподібні ступені ланцюга утворюються за допомогою чотирьох нуклеотидів генетичного коду. Ця відповідність була названа бубновою.
Гамов надалі своєму дослідженні пропонує теорію триплетного коду. Це стає першочерговим у питанні про природу генетичного коду. Хоча теорія фізика Гамова має недоліки, одним із яких є кодування структури білків через генетичний код.
Відповідно Георгій Гамов став першим вченим, який розглянув питання про гени як кодування чотиризначної системи у перекладі її в двадцятизначний основний факт.

Принцип дії

Один білок складається з кількох низок амінокислот. Логічність сполучних ланцюжків визначає будову та характеристики білка організму, що відповідно сприяє виявленню інформації про біологічні параметри живої істоти.

Інформація з живих клітин видобувається двома матричними процесами:
Транскрипцією, тобто синтезованим процесом злиття матриць РНК та ДНК.
Трансляцією, тобто синтезування ланцюжка поліпептидів на матриці РНК.
У процесі трансляції генетичний код перенаправлений у логічний ланцюжок амінокислот.

Для виявлення та реалізації інформації генів необхідно не менше трьох ланцюжкових нуклеотидів, при розгляді двадцяти послідовно послідовних амінокислот. Такий набір із трьох нуклеотидів позначається як триплет.
Генетичні коди розподілені між двома категоріями:
Перекриваючі – код мінорний, трикутний та послідовний.
Неперекриваються – комбінаційний код і «без ком».
Дослідження доводили, що порядок амінокислот хаотичний і відповідно індивідуально, на основі цього вчені віддають перевагу кодам, що не перекриваються. Згодом теорія «без ком» була спростована.
Для чого необхідно знати код ДНК
Знання про генетичний код живого організму дозволяють визначити інформацію молекул у спадковому та еволюційному сенсі. Необхідний запис спадковості, виявляє дослідження щодо формування системних знань у світі генетики.
Універсальність генетичного коду вважається унікальною властивістю живого організму. На основі даних можна отримати відповіді на більшість питань медичного та генетичного характеру.

Використання знань у медицині та генетиці

Досягнення в молекулярної біології двадцятого століття дозволило широко зробити крок у дослідженнях хвороб і вірусів, що мають різні підстави. Інформація про генетичний код повсюдно використовується в медицині та генетики.
Виявлення природи певного захворювання чи вірусу накладається вивчення генетичного розвитку. Знання та формування теорій і практик здатні вилікувати важко-виліковні або невиліковні захворювання сучасного світу та майбутнього.

Перспективи розвитку

Оскільки науково доведено, що в генетичному коді закладено інформацію не лише про спадковість, а й про тривалість життя організму, розвиток генетики задається питанням про безсмертя та довголіття. Ця перспектива підтримується низкою гіпотез наземного безсмертя, клітин ракових захворювань, стовбурових клітин людини.

Науковий співробітник технічного інституту П. Гаряєв у 1985 році виявив у разі спектрального аналізу порожнє місце, назване згодом фантом. Фантоми визначають померлі генетичні молекули.
Що означило надалі теорію про зміну живого організму з часом, що передбачає, що людина здатна жити понад чотириста років.
Феноменом є те, що клітини ДНК здатні видавати звукові коливання сто герц. Тобто, ДНК може говорити.

Хімічний склад та структурна організація молекули днк.

Молекули нуклеїнових кислот є дуже довгими ланцюгами, що складаються з багатьох сотень і навіть мільйонів нуклеотидів. Будь-яка нуклеїнова кислота містить лише чотири типи нуклеотидів. Функції молекул нуклеїнових кислот залежать від їх будови, що входять до їх складу нуклеотидів, їх числа в ланцюзі та послідовності сполуки в молекулі.

Кожен нуклеотид складається з трьох компонентів: азотистої основи, вуглеводу та фосфорної кислоти. У складкожного нуклеотиду ДНКвходить один із чотирьох типів азотистих основ (аденін - А, тимін - Т, гуанін - Г або цитозин - Ц), а також вугілля вод дезоксирибозу та залишок фосфорної кислоти.

Таким чином, нуклеотиди ДНК розрізняються лише типом азотистої основи.
Молекула ДНК складається з величезної кількості нуклеотидів, з'єднаних у ланцюжок у певній послідовності. Кожен вид молекули ДНК має властиве їй число та послідовність нуклеотидів.

Молекули ДНК дуже довгі. Наприклад, для буквеного запису послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК з однієї клітини людини (46 хромосом) знадобилася б книга обсягом близько 820 000 сторінок. Чергування чотирьох типів нуклеотидів може утворити безліч варіантів молекул ДНК. Зазначені особливості будови молекул ДНК дозволяють їм зберігати величезний обсяг інформації про всі ознаки організмів.

У 1953 р. американським біологом Дж. Вотсоном та англійським фізиком Ф. Криком було створено модель будови молекули ДНК. Вчені встановили, що кожна молекула ДНК складається з двох ланцюгів, пов'язаних між собою та спірально закручених. Вона має вигляд подвійної спіралі. У кожному ланцюгу чотири типи нуклеотидів чергуються у певній послідовності.

Нуклеотидний склад ДНКвідрізняється у різних видів бактерій, грибів, рослин, тварин. Але він не змінюється із віком, мало залежить від змін навколишнього середовища. Нуклеотиди парні, тобто число аденінових нуклеотидів у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимідинових нуклеотидів (А-Т), а число цитозинових нуклеотидів дорівнює числу гуанінових нуклеотидів (Ц-Г). Це пов'язано з тим, що з'єднання двох ланцюгів між собою в молекулі ДНК підпорядковується певному правилу, а саме: аденін одного ланцюга завжди пов'язаний двома водневими зв'язками тільки з Тімін інший ланцюга, а гуанін - трьома водневими зв'язками з цитозином, тобто нуклеотидні ланцюги однієї молекули ДНК комплементарні, доповнюють одна одну.

Молекули нуклеїнових кислот – ДНК та РНК складаються з нуклеотидів. До складу нуклеотидів ДНК входить азотна основа (А, Т, Г, Ц), вуглевод дезоксирибозу та залишок молекули фосфорної кислоти. Молекула ДНК є подвійною спіралью, що складається з двох ланцюгів, з'єднаних водневими зв'язками за принципом комплементарності. Функція ДНК – зберігання спадкової інформації.

Властивості та функції днк.

ДНКє носієм генетичної інформації, що записана у вигляді послідовності нуклеотидів за допомогою генетичного коду. З молекулами ДНК пов'язані два основних властивості живихорганізмів - спадковість та мінливість. У ході процесу, званого реплікацією ДНК, утворюються дві копії вихідного ланцюжка, успадковані дочірніми клітинами при розподілі, таким чином клітини, що утворилися, виявляються генетично ідентичні вихідній.

Генетична інформація реалізується при експресії генів у процесах транскрипції (синтезу молекул РНК на матриці ДНК) та трансляції (синтезу білків на матриці РНК).

Послідовність нуклеотидів «кодує» інформацію про різні типи РНК: інформаційних, або матричних (мРНК), рибосомальних (рРНК) та транспортних (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються з урахуванням ДНК у процесі транскрипції. Роль їх у біосинтезі білків (процесі трансляції) різна. Інформаційна РНК містить інформацію про послідовність амінокислот в білку, рибосомальні РНК служать основою для рибосом (складних нуклеопротеїнових комплексів, основна функція яких - збирання білка з окремих амінокислот на основі іРНК), транспортні РНК доставляють амінокислоти до місця збирання білків повзучої» по іРНК.

Генетичний код, властивості.

Генетичний код- властивий для всіх живих організмів спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів. ВЛАСТИВОСТІ:

Триплетність- Значною одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (триплет, або кодон).
Безперервність- між триплетами немає розділових знаків, тобто інформація зчитується безперервно.
Неперекриваність- один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів (не дотримується для деяких генів, що перекриваються, вірусів, мітохондрій і бактерій, які кодують кілька білків, що зчитуються зі зсувом рамки).
Однозначність (специфічність)- певний кодон відповідає тільки одній амінокислоті (проте, кодон UGA у Euplotes crassusкодує дві амінокислоти - цистеїн та селеноцистеїн)
Виродженість (надмірність)- одній і тій амінокислоті може відповідати кілька кодонів.
Універсальність- генетичний код працює однаково в організмах різного рівня складності - від вірусів до людини (на цьому засновані методи генної інженерії; є низка винятків, показаних у таблиці розділу «Варіації стандартного генетичного коду» нижче).
Перешкодостійкість- мутації замін нуклеотидів, що не призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають консервативними; мутації замін нуклеотидів, що призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають радикальними.

5. Ауторепродукція днк. Реплікон та його функціонування .

Процес самовідтворення молекул нуклеїнових кислот, що супроводжується передачею у спадок (від клітини до клітини) точних копій генетичної інформації; Р. здійснюється за участю набору специфічних ферментів (хеліказу<helicase>, що контролює розплетення молекули ДНК, ДНК-полімерази<DNA polymerase> I та III, ДНК-лігаза<DNA ligase>), проходить за напівконсервативним типом з утворенням реплікативної вилки<replication fork>; на одному з ланцюгів<leading strand> синтез комплементарного ланцюга безперервний, але в інший<lagging strand> відбувається за рахунок утворення фрагментів Дказаки<Okazaki fragments>; Р. - Високоточний процес, частота помилок при якому не перевищує 10 -9 ; у еукаріотів Р. може відбуватися відразу в кількох точках однієї молекули ДНК; швидкість Р. у еукаріотів близько 100, а у бактерій - близько 1000 нуклеотидів у сек.

6. Рівні організації геному еукаріотів .

У еукаріотичних організмів механізм регуляції транскрипції набагато складніший. В результаті клонування та секвенування генів еукаріотів виявлено специфічні послідовності, що беруть участь у транскрипції та трансляції.
Для еукаріотичної клітини характерно:
1. Наявність інтронів та екзонів у молекулі ДНК.
2. Дозрівання і-РНК - вирізування інтронів та зшивання екзонів.
3. Наявність регуляторних елементів, що регулюють транскрипцію, таких як: а) промотори - 3 види, на кожен з яких сідає специфічна полімераза. Pol I реплікує рибосомні гени, Pol II – структурні гени білків, Pol III – гени, що кодують невеликі РНК. Промотор Pol I та Pol II знаходяться перед ділянкою ініціації транскрипції, промотор Pol III – у рамках структурного гена; б) модулятори – послідовності ДНК, що підсилюють рівень транскрипції; в) підсилювачі - послідовності, що підсилюють рівень транскрипції та діють незалежно від свого положення щодо кодуючої частини гена та стану початкової точки синтезу РНК; г) термінатори - специфічні послідовності, що припиняють і трансляцію, і транскрипцію.
Ці послідовності за своєю первинною структурою та розташуванням щодо ініціюючого кодону відрізняються від прокаріотичних, і бактеріальна РНК-полімераза їх не "дізнається". Таким чином, для експресії еукаріотичних генів у клітинах прокаріотів потрібно, щоб гени знаходилися під контролем прокаріотичних регуляторних елементів. Цю обставину необхідно враховувати під час конструювання векторів для експресії.

7. Хімічний та структурний склад хромосом .

Хімічний склад хромосом - ДНК-40%, Гістонових білків - 40%. Негістонових - 20% небагато РНК. Ліпіди, полісахариди, іони металів.

Хімічний склад хромосоми це комплекс нуклеїнових кислот з білками, вуглеводами, ліпідами і металами. У хромосомі відбувається регуляція активності генів та їх відновлення при хімічному чи радіаційному ушкодженні.

СТРУКТУРНИЙ????

Хромосоми- нуклеопротеїдні структурні Елементи ядра клітини, що містять, днк, в якій укладена спадкова інформація організму, здатні до самовідтворення, мають структурну і функціональну індивідуальність і зберігають її в ряді поколінь.

в мітотичному циклі спостерігаються такі особливості структурної організації хромосом:

Розрізняють мітотичну та інтерфазні форми Структурної організації хромосом, що взаємопереходять одна в одну в мітотичному циклі – це функціональні та фізіологічні перетворення.

8. Рівні упаковки спадкового матеріалу у еукаріотів .

Структурно-функціональні рівні організації спадкового матеріалу еукаріотів

Спадковість та мінливість забезпечують:

1) індивідуальне (дискретне) успадкування та зміна окремих ознак;

2) відтворення в особинах кожного покоління всього комплексу морфофункціональних показників організмів конкретного біологічного виду;

3) перерозподіл у видів із статевим розмноженням у процес відтворення спадкових задатків, у результаті нащадок має поєднання ознак, відмінне від їх поєднання у батьків. Закономірності успадкування та мінливості ознак та їх сукупностей випливають із принципів структурно-функціональної організації генетичного матеріалу.

Розрізняють три рівні організації спадкового матеріалу еукаріотичних організмів: генний, хромосомний та геномний (рівень генотипу).

Елементарною структурою генного рівня є ген. Передача генів від батьків нащадку необхідна у його певних ознак. Хоча відомо кілька форм біологічної мінливості, лише порушення структури генів змінює зміст спадкової інформації, відповідно до якої формуються конкретні ознаки та властивості. Завдяки наявності генного рівня можливе індивідуальне, роздільне (дискретне) та незалежне спадкування та зміни окремих ознак.

Гени клітин еукаріотів розподілені групами по хромосомах. Це структури клітинного ядра, яким властива індивідуальність і здатність до самовідтворення із збереженням у ряді поколінь індивідуальних характеристик будови. Наявність хромосом зумовлює виділення хромосомного рівня організації спадкового матеріалу. Розміщення генів у хромосомах впливає на співвідносне успадкування ознак, уможливлює вплив на функцію гена з боку його найближчого генетичного оточення - сусідніх генів. Хромосомна організація спадкового матеріалу є необхідною умовою перерозподілу спадкових задатків батьків у нащадках при статевому розмноженні.

Незважаючи на розподіл за різними хромосомами, вся сукупність генів у функціональному відношенні поводиться як ціле, утворюючи єдину систему, що представляє геномний (генотипний) рівень організації спадкового матеріалу. На цьому рівні відбувається широка взаємодія та взаємовплив спадкових задатків, що локалізуються як в одній, так і в різних хромосомах. Підсумком є взаємовідповідність генетичної інформації різних спадкових задатків і, отже, збалансований за часом, місцем та інтенсивністю розвиток ознак у процесі онтогенезу. Функціональна активність генів, режим реплікації та мутаційних змін спадкового матеріалу також залежать від характеристик генотипу організму чи клітини загалом. Про це свідчить, наприклад, відносність якості домінантності.

Еу - та гетерохроматин.

Деякі хромосоми під час клітинного поділу виглядають конденсованими та інтенсивно забарвленими. Такі відмінності було названо гетеропікнозом. Для позначення районів хромосом, що демонструють позитивний гетеропікноз на всіх стадіях мітотичного циклу, було запропоновано термін « гетерохроматин». Розрізняють еухроматин - основну частину мітотичних хромосом, яка зазнає звичайного циклу компактизації декомпактизації під час мітозу, і гетерохроматин- ділянки хромосом, що постійно перебувають у компактному стані.

У більшості видів еукаріотів хромосоми містять як еу- так і гетерохроматинові ділянки, причому останні становлять значну частину геному. Гетерохроматинрозташовується в прицентромірних, іноді в притіломірних областях. Виявлено гетерохроматинові ділянки в еухроматинових плечах хромосом. Вони виглядають як вкраплення (інтеркаляції) гетерохроматину в еухроматин. Такий гетерохроматинназивають інтеркалярним. Компактизація хроматину.Еухроматин та гетерохроматинрозрізняються за циклами компактизації. Еухр. проходить повний цикл компактизації-декомпактизації від інтерфази до інтерфази гетеро. зберігає стан відносної компактності. Диференційна офарблюваність.Різні ділянки гетерохроматину фарбуються різними барвниками, деякі райони – якимось одним, інші – декількома. Застосовуючи різні барвники та використовуючи хромосомні перебудови, що розривають гетерохроматинові райони, у дрозофіли вдалося охарактеризувати багато невеликих районів, де спорідненість до забарвлень на відміну від сусідніх ділянок.

10. Морфологічні особливості метафазної хромосоми .

Метафазна хромосома складається з двох поздовжніх ниток дезоксирибонуклеопротеїду - хроматиду, з'єднаних один з одним в області первинної перетяжки - центромери. Центромера – особливим чином організована ділянка хромосоми, загальна для обох сестринських хроматид. Центромера ділить тіло хромосоми на два плечі. Залежно від розташування первинної перетяжки розрізняють такі типи хромосом: рівноплечі (метацентричні), коли центроміра розташована посередині, а плечі приблизно рівної довжини; нерівноплечі (субметацентричні), коли центроміра зміщена від середини хромосоми, а плечі нерівної довжини; паличкоподібні (акроцентричні), коли центроміра зміщена до одного кінця хромосоми і одне плече дуже коротке. Існують ще точкові (тілоцентричні) хромосоми, вони одне плече відсутня, але у каріотипі (хромосомному наборі) людини їх немає. У деяких хромосомах можуть бути вторинні перетяжки, що відокремлюють від тіла хромосоми ділянку, яка називається супутником.

У будь-якій клітині та організмі всі особливості анатомічного, морфологічного та функціонального характеру визначаються структурою білків, які входять до них. Спадковою властивістю організму є здатність до синтезу певних білків. В амінокислоти розташовані в поліпептидному ланцюжку, від якого залежать біологічні ознаки.
Для кожної клітини характерна своя послідовність нуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі ДНК. Це генетичний код ДНК. За допомогою його записується інформація про синтез тих чи інших білків. Про те, що таке генетичний код, про його властивості та генетичну інформацію розповідається в цій статті.

Трішки історії

Ідея про те, що, можливо, генетичний код існує, була сформульована Дж.Гамовим та А.Дауном у середині двадцятого століття. Вони описали, що послідовність нуклеотидів, що відповідає за синтез певної амінокислоти, містить щонайменше три ланки. Пізніше довели точну кількість із трьох нуклеотидів (це одиниця генетичного коду), яку назвали триплет або кодон. Усього нуклеотидів налічується шістдесят чотири, тому що молекули кислот, де відбувається або РНК, складається із залишків чотирьох різних нуклеотидів.

Що таке генетичний код

Спосіб кодування послідовності білків амінокислот завдяки послідовності нуклеотидів характерний для всіх живих клітин та організмів. Ось що таке генетичний код.
У ДНК є чотири нуклеотиди:

аденін - А;
гуанін – Г;
цитозин – Ц;
тімін - Т.

Вони позначаються великими літерами латинськими або (у російськомовній літературі) російськими.
У РНК також присутні чотири нуклеотиди, однак один із них відрізняється від ДНК:

аденін - А;
гуанін – Г;
цитозин – Ц;
урацил - У.

Всі нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки, причому в ДНК виходить подвійна спіраль, а в РНК одинарна.
Білки будуються на двадцяти амінокислотах, де вони, розташовані у певній послідовності, визначають його біологічні властивості.

Властивості генетичного коду

Триплетність. Одиниця генетичного коду складається з трьох букв, він триплетен. Це означає, що двадцять існуючих амінокислот зашифровано трьома певними нуклеотидами, які називаються кодон або трилпет. Існують шістдесят чотири комбінації, які можна створити із чотирьох нуклеотидів. Цієї кількості більш ніж достатньо для того, щоб закодувати двадцять амінокислот.
Виродженість. Кожна амінокислота відповідає більш ніж одному кодону, за винятком метіоніну та триптофану.
Однозначність. Один кодон шифрує одну амінокислоту. Наприклад, у гені здорової людини з інформацією про бета-мету гемоглобіну триплет ГАГ і ГАА кодує А у всіх, хто хворий на серповидноклітинну анемію, один нуклеотид замінений.
Колінеарність. Послідовність амінокислот завжди відповідає послідовності нуклеотидів, яку містить ген.
Генетичний код безперервний і компактний, що означає те, що він не має «розділових знаків». Тобто, починаючись на певному кодоні, відбувається безперервне зчитування. Наприклад, АУГГУГЦУУААУГУГ зчитуватиметься як: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Але ніяк не АУГ, УГГ і так далі чи ще якось інакше.
Універсальність. Він єдиний абсолютно для всіх земних організмів, від людей до риб, грибів та бактерій.

Таблиця

У представленій таблиці присутні в повному обсязі наявні амінокислоти. Гідроксипролін, гідроксилізин, фосфосерин, йодових тирозину, цистин та деякі інші відсутні, оскільки вони є похідними інших амінокислот, що кодуються м-РНК і утворюються після модифікації білків в результаті трансляції.
Зі властивостей генетичного коду відомо, що один кодон здатний кодувати одну амінокислоту. Винятком є виконуючий додаткові функції та кодуючий валін та метіонін, генетичний код. ІРНК, перебуваючи на початку з кодоном, приєднує т-РНК, яка несе формілметіон. Після завершення синтезу він відщеплюється сам і захоплює у себе формальний залишок, перетворюючись на залишок метионина. Так, вищезазначені кодони є ініціаторами синтезу ланцюга поліпептидів. Якщо ж вони не на початку, то нічим не відрізняються від інших.

Генетична інформація

Під цим поняттям мається на увазі програма властивостей, що передається від предків. Вона закладена у спадковості як генетичний код.
Реалізується при синтезі білка генетичний код:

інформаційної та-РНК;
рибосомальний р-РНК.

Інформація передається прямим зв'язком (ДНК-РНК-білок) та зворотним (середовище-білок-ДНК).
Організми можуть отримувати, зберігати, передавати її та використовувати при цьому найбільш ефективно.
Передаючись у спадок, інформація визначає розвиток тієї чи іншої організму. Але через взаємодію Космосу з реакція останнього спотворюється, завдяки чому і відбувається еволюція та розвиток. Таким чином, в організм закладається нова інформація.

Обчислення закономірностей молекулярної біології та відкриття генетичного коду проілюстрували те, що необхідно поєднати генетику з теорією Дарвіна, на основі чого з'явилася синтетична теорія еволюції – некласична біологія.
Спадковість, мінливість та природний відбір Дарвіна доповнюються генетично обумовленим відбором. Еволюція реалізується на генетичному рівні шляхом випадкових мутацій та успадкування найцінніших ознак, які найбільш адаптовані до навколишнього середовища.

Розшифрування коду у людини

У дев'яностих роках було розпочато проект Human Genome, внаслідок чого у двохтисячних було відкрито фрагменти геному, що містять 99,99% генів людини. Невідомими залишилися фрагменти, які беруть участь у синтезі білків і кодуються. Їхня роль поки залишається невідомою.

Остання відкрита у 2006 році хромосома 1 є найдовшою у геномі. Понад триста п'ятдесят захворювань, у тому числі рак, з'являються в результаті порушень і мутацій в ній.

Роль таких досліджень важко переоцінити. Коли відкрили, що таке генетичний код, стало відомо, за якими закономірностями відбувається розвиток, як формується морфологічна будова, психіка, схильність до тих чи інших захворювань, обмін речовин та вади індивідів.

Завдяки процесу транскрипції у клітині здійснюється передача інформації від ДНК до білка: ДНК – і-РНК – білок. Генетична інформація, що міститься в ДНК та і-РНК, укладена в послідовності розташування нуклеотидів у молекулах. Яким чином відбувається переклад інформації з "мови" нуклеотидів на "мову" амінокислот? Такий переклад здійснюється за допомогою генетичного коду. Код, або шифр, - це система символів для переведення однієї форми інформації до іншої. Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках за допомогою послідовності розташування нуклеотидів в інформаційній РНК. Наскільки важлива саме послідовність розташування тих самих елементів (чотирьох нуклеотидів в РНК) для розуміння і збереження сенсу інформації, можна переконатися на простому прикладі: переставивши букви в слові код, ми отримаємо слово з іншим значенням - док. Які ж властивості має генетичний код?

1. Код триплетен. До складу РНК входять 4 нуклеотиди: А, Г, Ц, У. Якби ми намагалися позначити одну амінокислоту одним нуклеотидом, то 16 із 20 амінокислот залишилися б не зашифровані. Дволітерний код дозволив би зашифрувати 16 амінокислот (з чотирьох нуклеотидів можна скласти 16 різних комбінацій, у кожній з яких є два нуклеотиди). Природа створила трилітерний, або триплетний, код. Це означає, що кожна з 20 амінокислот зашифрована послідовністю трьох нуклеотидів, які називають триплетом або кодоном. З 4 нуклеотидів можна створити 64 різні комбінації по 3 нуклеотиди в кожній (4 * 4 * 4 = 64). Цього з надлишком вистачає для кодування 20 амінокислот і, здавалося б, 44 кодони є зайвими. Однак, це не так.

2. Код вироджено. Це означає, що кожна амінокислота шифрується більш як одним кодоном (від двох до шести). Виняток становлять амінокислоти метіонін і триптофан, кожна з яких кодується лише одним триплетом. (Це видно з таблиці генетичного коду.) Той факт, що метіонін кодується одним триплетом АУТ, має особливий зміст, який вам стане зрозумілим пізніше (16).

3. Код однозначний. Кожен кодон шифрує лише одну амінокислоту. У всіх здорових людей у гені, що несе інформацію про бета-ланцюги гемоглобіну, триплет ГАА або ГАГ, що стоїть на шостому місці, кодує глутамінову кислоту. У хворих на серповидноклітинну анемію другий нуклеотид у цьому триплеті замінений на У. Як видно з таблиці, триплети ГУА або ГУГ, які в цьому випадку утворюються, кодують амінокислоту валін. До чого призводить така заміна, ви вже знаєте з розділу ДНК.

4. Між генами є "розділові знаки". У друкованому тексті наприкінці кожної фрази стоїть крапка. Декілька пов'язаних за змістом фраз становлять абзац. Мовою генетичної інформації таким абзацом є оперон та комплементарна йому і-РНК. Кожен ген в опероні кодує один поліпептидний ланцюжок - фразу. Так як у ряді випадків за матрицею і-РНК послідовно створюється кілька різних поліпептидних ланцюгів, вони повинні бути відокремлені один від одного. Для цього в генетичному коді існують три спеціальні триплети - УАА, УАГ, УГА, кожен з яких означає припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга. Таким чином, ці триплети виконують функцію розділових знаків. Вони знаходяться наприкінці кожного гена. Усередині гена немає "розділових знаків". Оскільки генетичний код подібний до мови, розберемо цю властивість на прикладі такої складеної з триплетів фрази: жив був кіт тих був сер милий мені той кіт. Сенс написаного зрозумілий, незважаючи на відсутність "розділових знаків. Якщо ж ми приберемо в першому слові одну літеру (один нуклеотид в гені), але читатимемо також трійками літер, то вийде нісенітниця: ілбілк отт ихб ылс ерм илм немає отк від Порушення сенсу виникає і при випадінні одного або двох нуклеотидів з гена.Білок, який зчитуватиметься з такого зіпсованого гена, не матиме нічого спільного з тим білком, який кодувався нормальним геном.

6. Код універсальний. Генетичний код єдиний всім живих Землі істот. У бактерій і грибів, пшениці та бавовни, риб і черв'яків, жаби та людини одні й ті самі триплети кодують ті самі амінокислоти.