Генетичний код і його властивості

Нуклеїнові кислоти отримали свою назву від латинського nucleus - ядро, так як були відкриті 1868 р швейцарським лікарем Иоганом Фрідріхом Мішер як складова частина ядра. Термін «нуклеїнова кислота» був введений в 1889 р Ріхардом Альтманом.

Нуклеїнові кислоти поряд з білками є найважливішими биополимерами живої клітини. Основна функція ДНК - зберігання і передача спадкової інформації. Саме ДНК використовується в генній інженерії для створення нових видів організмів.

Подібно білкам, ДНК мають первинну, вторинну і третинну структури. ДНК в ядрах знаходиться в комплексі з білками (в основному гистонами) у вигляді нуклеопротеида, де НК пов'язані водневими і сольовими зв'язками з білками.

Ланцюги НК побудовані за іншим принципом, ніж ланцюги білків. Ланцюг нуклеїнової кислоти одноманітна. Вона складається з одних і тих же ланок - нуклеотидів. виступаючих в ролі мономерів. Нуклеотид складається з трьох компонентів: азотистого підстави (пуринового або піримідинового), пятиуглеродного циклічного вуглеводу (рибози або дезоксирибози) і залишку фосфорної кислоти (рис. 1.11).

Підстава пов'язано з 1-м вуглецевим атомом вуглеводу одним зі своїх атомів азоту С-N- зв'язком (утворюється нуклеозид). а залишок фосфорної кислоти пов'язаний ефірним зв'язком з 5-м вуглецем вуглеводу. В освіті нуклеїнових кислот можуть брати участь дві групи нуклеотидів, що відрізняються один від одного природою цукрів і підстав, які входять до їх складу - рибонуклеотиди (містять цукор рибозу) та дезоксирибонуклеотидів (містять дезоксирибози). Перші утворюють РНК (РНК). другі - ДНК. У ДНК є нуклеотиди чотирьох типів, що розрізняються лише азотистими підставами. До цих підстав відносяться два пурину (Pu) - аденін (A) і гуанін (Г) - і два пиримидина (Py) - тимін (T) і цитозин (Ц).

Мал. 1.11. Схема освіти полинуклеотида

У РНК присутні ті ж ланки з заміною тиміну на урацил (У) і дезоксирибози на рибозу.

Структура окремого нуклеотиду (а) і нуклеотидів, об'єднаних

в ланцюжок ДНК (б)

У 1953 р Уотсон і Крик запропонували модель ДНК. ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, правозакрученной і свити разом щодо однієї осі (рис.). Ступінь полімеризації дуже висока, ланцюг може складатися з декількох десятків (30 - 40) тисяч нуклеотидів (рис.). Повний оборот спіралі доводиться на 10 пар основ.

Кожна ланцюг - це регулярний полімер, в якому окремі нуклеотиди з'єднуються між собою через залишок фосфорної кислоти по третьому атому вуглецю.

На відміну від вуглеводно-фосфатного остову, послідовність пуринових і піримідинових основ уздовж ланцюга надзвичайно нерегулярна, кожна молекула ДНК певного типу характеризується особливою послідовністю. Дві ланцюга утримуються разом за допомогою водневих зв'язків між парами підстав. Таку структуру називають дуплексом. Ланцюги комплементарні один одному, т. Е. Послідовність підстав в одного ланцюга визначає їх послідовність в іншій. Аденін завжди відповідає тимін, а гуанін - цитозин (А ↔ Т; Г ↔ Ц).

Подвоєння ДНК. Молекули ДНК мають властивість, не притаманним жодній іншій з відомих молекул, - здатністю до подвоєння. В основі подвоєння молекул ДНК також лежить принцип комплементарності. За допомогою спеціальних ферментів водневі зв'язку, що скріплюють нитки ДНК, розриваються. При цьому дві нитки вихідного дуплексу розходяться, і кожна з них здатна управляти побудовою комплементарної ланцюга з мономерів, що призводить до відтворення двох дуплексів, ідентичних вихідного - «дочірні молекули». Кожна з них має одну нитку, отриману від материнської, і іншу нитку, синтезовану знову.

Оскільки молекули ДНК є матрицями для синтезу всіх білків, в ДНК укладена інформація про структуру та діяльність клітин і організму в цілому. Ділянка молекули ДНК, службовець матрицею для синтезу одного білка, називають геном. а інформацію, яку містить ДНК, - генетичної.

Однак послідовність нуклеотидів в кожному з ланцюгів - це тільки креслення для створення нових молекул ДНК. Для складання нових ланцюгів потрібен достатній запас мономерів, а також спеціальний пристрій, що здійснює послідовне приєднання мономерів до зростаючої нової полімерної ланцюга. Цими пристроями є ферменти, названі ДНК-полімерази. Процес синтезу комплементарної дочірньої ланцюга ДНК на одній з батьківських ланцюгів називається реплікацією.

Після встановлення будови ДНК було сформульовано уявлення про генетичному коді. тобто про те, як на молекулі ДНК записані амінокислотні послідовності програмованих нею білків. Порядок розташування нуклеотидів в молекулах ДНК визначає порядок розташування амінокислот в лінійних молекулах білків, т. Е. Їх первинну структуру. Безпосередньо складанням білків з амінокислот ДНК не керує. Це робить РНК, яка синтезується за участю ДНК.

На відміну від ДНК рибонуклеїнова кислота одноцепочечная, правозакрученная спіраль.

Головне хімічне відмінність між ДНК і РНК полягає в структурі цукру. Той факт, що у рибози є лішняяОН -група, призводить до того, що РНК легше піддається дії окислювачів, ніж ДНК, т. Е. Менш стійка.

РНК поділяються на три основних типи: матричну, або інформаційну (м-РНК), транспортну (т-РНК) і рибосомну (р-РНК). Всі три типи РНК синтезуються безпосередньо на ДНК, яка служить матрицею для цього процесу. Кількість РНК в кожній клітині прямо пропорційно кількості вироблюваного цією клітиною білка.

Матрична РНК становить 3-5% всієї міститься в клітині РНК. Вона має підвищену метаболічної активністю, безперервно розпадається і синтезується знову.

Спадкова інформація, що зберігається в молекулах ДНК, (про всі властивості клітини і організму в цілому) передається молекулами м-РНК. м- РНК переноситься в цитоплазму, де з допомогою рібосомідет синтез білка. Саме м-РНК, яка будується комплементарно однієї з ниток ДНК, визначає порядок розташування амінокислот в білкових молекулах.

Рибосомная РНК входить до складу рибосом і визначає їх структуру. Це високомолекулярна РНК, нерозчинна в умовах клітини. Вона складає більше 80% всієї РНК клітини. р-РНК кодується особливими генами, що знаходяться в декількох хромосомах і розташованих в полісом. Послідовність підстав в р-РНК ідентична для всіх організмів - від бактерій до вищих рослин і тварин.

Транспортна РНК становить близько 15% всієї клітинної РНК. Це розчинна в умовах клітини низькомолекулярна РНК (в неї входить в середньому 80 нуклеотидів). т-РНК доставляє активовані амінокислоти до місця синтезу білка - рибосоми, своєрідним фабрикам з виробництва білків. т-РНК відіграє роль сполучних ланок між тріплетним кодом, що містяться в м-РНК, і амінокислотною послідовністю поліпептидного ланцюга. Кожна переноситься амінокислота має свою т-РНК. Вторинна і третинна структури цієї т-РНК досить мінливі й відрізняються від матричної і Хвороби.

Синтез молекул м-РНК

Синтез нових молекул РНК - транскрипція - здійснюється в ядрі за допомогою РНК - полімерази. При цьому відповідна частина ДНК, що містить інформацію про деяку певної послідовності амінокислот, переписується в певну послідовність кодують елементів, побудованих з рибонуклеотидов. Таким чином, інформація, закладена в молекулі ДНК, передається за допомогою спеціального посередника матричної РНК (мРНК). Синтез м-РНК йде на одному з ланцюжків молекули ДНК, при цьому механізм (т. Е. На який конкретно ланцюга буде зчитуватися інформація, закодована в послідовності нуклеотидів) до кінця не з'ясований.

Синтез білків на рибосомах називаетсятрансляціей. м-РНК, що несе відомості про первинну структуру білкових молекул, проходить через пори ядерної оболонки і направляється до рибосом, де здійснюється розшифровка генетичної інформації.

Амінокислоти, з яких синтезуються білки, доставляються до рибосом за допомогою т-РНК. В клітці є стільки ж різних типів т-РНК, скільки типів кодонів (триплетів), шифруючих амінокислоти. У кожній молекулі т-РНК є послідовність з трьох нуклеотидів, комплементарних нуклеотидів кодону в м-РНК. Така послідовність нуклеотидів в структурі т-РНК називається антикодоном. Спеціальний фермент «дізнається» антикодон і приєднує до т-РНК «свою» амінокислоту. У цьому полягає перший етап синтезу.

На другому етапі синтезу білка т-РНК виконує функцію перекладача з «мови» нуклеотидів на «мову» амінокислот. Такий переклад відбувається на рибосомі. У ній є дві ділянки: на одному т-РНК отримує команду від м-РНК - антикодон дізнається кодон, на іншому - виконується наказ - амінокислота відривається від т-РНК.

Третій етап синтезу білка полягає в тому, що фермент синтетаза приєднує оторвавшуюся від т-РНК амінокислоту до зростаючої білкової молекулі. м- РНК безперервно ковзає по рибосоме, кожен триплет спочатку потрапляє в першу ділянку, де впізнається антикодоном т-РНК, потім на другу ділянку. Сюди ж переходить т-РНК з приєднаною до неї амінокислотою, тут амінокислоти відриваються від т-РНК і з'єднуються один з одним в тій послідовності, в якій триплети слідують один за іншим.

Коли на рибосомі в першій ділянці виявляється один з трьох кодонів, що є знаками пунктуації між генами, це означає, що синтез білка завершено. Готова ланцюг білка відходить від рибосоми.

Реплікація, транскрипція і трансляція - три основоположних процесу, на яких заснована будь-яка життєдіяльність.

Отже, щоб підтримувати життя, клітині необхідно мати: речовина, з якого вона будує власні органели; енергію, щоб ця речовина використовувати, і інформацію, що дозволяє відтворювати собі подібних. Речовина і енергія надходять з білками; збереження і передачу інформації здійснюють НК.

Генетичний код і його властивості

Генетична інформація, що міститься в ДНК і в м-РНК, укладена в послідовності розташування нуклеотидів в молекулах. Суть коду полягає в тому, що послідовність розташування нуклеотидів в м-РНК визначає послідовність розташування амінокислот в білках. Цей код називають генетичним, його розшифровка - одне з великих досягнень науки. Носієм генетичної інформації є ДНК, але так як безпосередню участь в синтезі білка приймає м-РНК - копія однієї з ниток ДНК, то генетичний код записаний на «мові» РНК.

Код триплетів. До складу РНК входять 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Якби ми намагалися позначити одну амінокислоту одним нуклеотидів, то можна було б зашифрувати лише 4 амінокислоти, тоді як їх 20 і всі вони використовуються в синтезі білків. Двобуквений код дозволив би зашифрувати 16 амінокислот (з 4 нуклеотидів можна скласти 16 різних комбінацій, в кожній з яких є 2 нуклеотида).

У природі ж існує трилітерний, або триплетний, код. Це означає, що кожна з 20 амінокислот зашифровано послідовністю з 3 нуклеотидів, т. Е. Кодоном, який отримав назву кодон. З 4 нуклеотидів можна створити 64 різні комбінації, по 3 нуклеотида в кожній (4 3 = 64). Цього з надлишком вистачає для кодування 20 амінокислот.

Код однозначний. Кожен триплет шифрує тільки одну амінокислоту.

Між генами є розділові знаки. Кожен ген кодує одну білкову ланцюжок. Так як в ряді випадків м-РНК є копією кількох генів і по ній послідовно створюються різні ланцюги, то вони повинні бути відокремлені один від одного. Тому в генетичному коді існують три спеціальні триплета (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких позначає припинення синтезу однієї білкової ланцюга. Таким чином, ці триплети виконують функцію знаків пунктуації. Вони знаходяться в кінці кожного гена. Всередині гена немає розділових знаків. Оскільки генетичний код подібний до мови, розберемо це його властивість на прикладі такої, складеної з триплетів, фрази:

жив був кіт тихий був сер милий мені той кіт.

ілб илк Отт іхб илс єрм ілм немає ВТК від.

Нісенітниця виникає і при випаданні одного або двох нуклеотидів з гена. Білок, який зчитується з такого «зіпсованого» гена, не матиме нічого спільного з тим білком, який кодувався нормальним геном. Тому ген в ланцюзі ДНК має строго фіксований початок зчитування.

Код універсальний. Код єдиний для всіх, хто живе на Землі істот. У бактерій, гриба, людини, краба, айстри одні і ті ж триплети кодують одні й ті ж амінокислоти.