Поняття про генетичний код і його властивості, ген.
Код — система умовних знаків для зберігання й обробки інформації
«Холмс уже кілька годин мовчки сидів, схилившись над хімічною пробіркою, де клекотіло якесь невимовно смердюче вариво. Голова його схилилася до грудей, і він нагадував мені чудернацького кістлявого птаха з тьмяно-сірими перами й чорним чубом». Так починається одне з оповідань Артура Конан Дойла — «Чоловічки в танці». У садибі Ридлінґ-Торп-Менор починають з’являтися дивні малюнки, на яких зображено вишикуваних у лінію чоловічків під час танцю. Ось приклад одного з таких малюнків.
Господар садиби звертається по допомогу до геніального детектива Шерлока Холмса. Той легко доходить висновку, що малюнки — це закодовані послання. Холмс береться за їх розшифрування, і виявляється, що кожна фігурка відповідає літері англійського алфавіту. Шерлок Холмс складає таблицю коду — таблицю відповідності між позами чоловічків і літерами.
Використавши цей код, можна розшифрувати, що в посланні написано: «приходь сюди терміново» (англ. «соте here at опсе»)\ Цей код був розроблений ватажком чиказької мафії для того, щоб спілкуватися з підлеглими. Проте набагато цікавішу й складнішу роботу провели вчені для розгадування найважливішого коду в живій природі — генетичного коду. Але перш ніж перейти до розгляду цього феномену, дамо визначення поняття «код».
Код — це правило відповідності одному конкретному об’єкту чітко визначеної комбінації символів. Інакше кажучи, код — це правило, згідно з яким символи однієї системи (скажімо, літери) однозначно співвідносяться із символами іншої системи (скажімо, зображеннями чоловічків).
Генетичний код — кодування послідовності амінокислот у білках відповідно до послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кислотах
Генетична інформація записана тільки в одному (кодогенному, інформативному або значущому) ланцюгу ДНК, другий ланцюг не несе генетичну інформацію.
Як ми вже згадували під час вивчення попереднього матеріалу, матрична РНК залучена до процесу біосинтезу білка. Саме вона містить інформацію про послідовність з’єднання амінокислотних залишків у ланцюжок білка. Цю інформацію вона отримала від молекули ДНК у процесі транскрипції. Але якщо у випадку транскрипції рибонуклеотиди мРНК потребують відповідності дезоксирибонуклеотидам згідно з принципом комплементарності, то для синтезу молекули білка клітині треба дібрати відповідно до нуклеотидів мРНК амінокислоти. Для цього має бути правило. Це правило й називається генетичним кодом.
Негідник Аб Слені користувався кодом чиказької мафії для того, щоб приховати зміст своїх послань від стороннього ока. А клітина використовує генетичний код через необхідність, бо нуклеїнові кислоти та білки «розмовляють різними мовами»: нуклеїнові кислоти — мовою нуклеотидів, а білки — мовою амінокислот. Клітині доводиться перекладати з мови нуклеотидів на мову амінокислот приблизно так, як ІІІерлок Холмс перекладав із мови «чоловічків у танці» на англійську. Тут важлива одна деталь: фрази у вигляді чоловічків у танці також були записані англійською мовою, просто іншими символами. Можна сказати, що матрична РНКтеж написана мовою білків, просто іншими символами — нуклеотидами. Неправильно розглядати переклад із мови нуклеїнових кислот на мову білків як переклад з англійської на українську.
Чиказьким бандитам довелося вигадати 27 поз, аби відобразити 27 літер англійського алфавіту. Перекладач Володимир Панченко вигадав додатково ще 6 поз, аби перекласти оповідання українською. Але клітина має тільки чотири нуклеотиди, аби закодувати 21 амінокислоту. Це нелегко, чи не так?
Проте цю проблему можна розв’язати, якщо добирати у відповідність амінокислоті комбінацію з нуклеотидів. Якщо кодувати амінокислоти двійками нуклеотидів, то вийде 4x4= 16 комбінацій. Цього замало, щоб кодувати все різноманіття амінокислот (їх близько 20). Але якщо кодувати їх трійками, то вийде 4 х 4 х 4 = 64 комбінації, тобто цілком достатньо для кодування всіх амінокислот. І справді, для кодування амінокислот клітина використовує трійки нуклеотидів, так звані триплети. Таблиця 24.1 демонструє генетичний код клітини.
Генетичний код – встановлені відповідності між певною послідовністю нуклеотидів ДНК (іРНК) і амінокислотами в білку.
Генетична інформація записана тільки в одному (кодогенному, інформативному або значущому) ланцюгу ДНК, другий ланцюг не несе генетичну інформацію.
КОД:
Триплетний – кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів ДНК (іРНК) – кодон.
Фізик Георгій Гамов 1954 року звернув увагу на те, що в такому разі одну амінокислоту мають кодувати щонайменше три нуклеотиди. Якби одному нуклеотидові відповідала одна амінокислота, то можна було б закодувати лише 4 амінокислоти. Якби два нуклеотиди відповідали за одну амінокислоту, то з чотирьох нуклеотидів можна було б скласти 42= 16 дво-літерних комбінацій і закодувати лише 16 амінокислот, а їх більше. Отже, код, як мінімум, трилітерний, тобто триплетний.
Розглянувши цю таблицю, можна зробити такі висновки про властивості генетичного коду. По-перше, генетичний код триплетний, тобто трійка нуклеотидів кодує одну амінокислоту. По-друге, генетичний код надмірний: триплетів більше, ніж амінокислот. По-третє, генетичний код вироджений, тобто одна амінокислота може кодуватися більш ніж одним кодоном (кодоном називають комбінацію з трьох нуклеотидів — триплет). По-четверте, генетичний код однозначний: один кодон може кодувати тільки одну амінокислоту. По-п’яте, генетичний код містить розділові знаки: один «старт» і три «стопи», але при цьому код безперервний, тобто між кодонами немає пробілів.
На останній властивості варто зупинитися докладніше. Старт-кодон (АУГ) кодує також одну з амінокислот — метіонін. А отже, всі молекули білка починаються саме з метіоніну1. Проте часто метіонін розташований і всередині білкового ланцюга. Зазвичай як стартовий використовується перший кодон АУГ від початку матричної РНК, а решта розпізнаються просто як кодони метіоніну. Ще одна особливість: стоп-кодон УГА іноді кодує селеноцистеїн — ту саму 21-шу амінокислоту. Для того, щоб він був розпізнаний як кодон селеноцистеїну, а не «стоп», за ним має бути розташована особлива комбінація нуклеотидів.
Зауважимо ще одну властивість генетичного коду, на якій ми докладніше зупинимося в наступному параграфі. Генетичний код не перекривається: той самий нуклеотид не може входити до складу двох або трьох триплетів2.
Генетичний код універсальний
Генетичний код — це дуже жорстке правило. Його беззаперечно дотримується кожна клітина організму впродовж усього життя. Спочатку був розшифрований генетичний код кишкової палички, але потім з’ясувалося, що такий самий код мають і людина, і соняшник. Було постульовано універсальність генетичного коду: усі живі організми мають однаковий генетичний код. Виходить, що, виникнувши одного разу в спільного предка всіх живих організмів, генетичний код більше не змінювався.
Цей феномен має логічне пояснення: якщо у якогось організму виникає відхилення від генетичного коду, скажімо, триплет ААА починає замість лізину кодувати аргінін, то в усіх його білках майже в половині випадків замість лізину починає з’являтися аргінін (чому в половині випадків — спробуйте відповісти самі, уважно розглянувши таблицю генетичного коду). Це порушить структуру та функцію більшості з них і буде смертельним для істоти-винахідника.
Проте треба зробити кілька зауважень. По-перше, генетичний код виник не відразу. Найімовірніше, на ранніх етапах біологічної еволюції (можливо, ще до виникнення клітини) генетичний код еволюціонував. Зараз є всі підстави вважати, що спочатку генетичний код був дуплетним, тобто амінокислоти кодувалися двійками нуклеотидів (амінокислот було, таким чином, не більше 15), і лише потім став триплетним. Але можна впевнено сказати, що генетичний код останнього спільного предка всіх живих організмів був такий самий, як і в нас із вами.
По-друге, генетичний код усе ж змінюється, хоча й дуже повільно. Уперше відхилення від генетичного коду були виявлені в мітохондрій людини. У них триплет УГА (який у класичному коді зчитується як «стоп») кодує амінокислоту триптофан3,
а триплет АУА (у класичному коді — ізолейцин) кодує метіонін. Потім було виявлено незначні відхилення в генетичному коді деяких бактерій і найпростіших, а також мітохондрій рослин і грибів. Однак ці зміни рідкісні та незначні, тому можна говорити про універсальність генетичного коду (чи майже універсальність або, як кажуть учені, квазіуніверсальність).
Як читати генетичний код?
Тепер, озброївшись даними таблиці генетичного коду, спробуємо розшифрувати послідовність білка, закодовану в нуклеотидній послідовності матричної РНК.
Спочатку визначимося, де початок цього послання: це не обов’язково перший нуклеотид! Нам потрібно знайти «старт» — кодон АУГ. Позначимо положення першого АУГ.
Він кодує метіонін. Далі, якщо послідовно підставити амінокислоти з таблиці генетичного коду відповідно до триплетів нуклеотидів, то вийде ланцюжок: метіонін (АУГ) — валін (ГУГ) — лейцин (УУА) — фенілаланін (УУЦ) — пролін (ЦЦА) — валін (ГУГ) — глутамінова кислота (ГАА) — гліцин (ГГЦ).
Це тільки початок одного з амінокислотних ланцюжків білка. Такі ланцюги можуть містити сотні амінокислот, а синтез одного з них триває в клітині кілька хвилин.
Американський біолог Гар Гобінд Корана до 1965 року навчився синтезувати короткі фрагменти РНК із заданою послідовністю — спочатку дуплети (динуклеотиди), а потім триплети (тринуклеотиди). Після цього почали запускати до системи триплети з відомою структурою. Наприклад, додавши триплети, що містять 2 У та 1 Г, встановили, що валін кодується кодоном ГУУ, а не УГУ та УУГ, і так далі. Так, послідовно, кодон за кодоном, було повністю розшифровано генетичний код кишкової палички.
Триплетний – кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів ДНК (іРНК) – кодон.
Однозначний – один триплет кодує лише одну амінокислоту.
Вироджений – одну амінокислоту можуть кодувати декілька різних триплетів (це підвищує надійність коду). 18 із 20 амінокислот кодуються кількома триплетами (від 2 до 6) і тільки триптофан і метіонін – одним.
Універсальний – єдиний для всіх організмів, які існують на Землі.
Який не перекривається – зчитуються кодони один за одним, з однієї певної точки в одному напрямку, тобто той самий нуклеотид не може входити одночасно до складу двох сусідніх триплетів.
Матеріал: Підручник Біологія 9 клас Шаламов читати онлайн (нова програма 2017)
Між генами існують «розділові знаки» – спейсери. Триплети УАА, УАГ, УГА позначають припинення синтезу даного білка.
В одній молекулі ДНК може бути закодована послідовність амінокислот для багатьох білків.
Розрізняють структурні гени (несуть інформацію для синтезу структурних і ферментних білків) і гени з інформацією для синтезу тРНК, рРНК та ін.
Ген може проявлятись у кількох формах – алелях.Обговорення проблеми: як передати інформацію про послідовність амінокислот у білку до того місця, де білок синтезується? (Сама молекула ДНК дуже велика і ніколи не покидає ядро). Необхідно підвести до розуміння того, що потрібен посередник у вигляді інформаційної РНК, яка синтезується в ядрі та виходить у цитоплазму.
Завдання.
Користуючись принципом комплементарності азотистих основ, визначте, яка іРНК буде синтезована на ділянці молекули ДНК із такою послідовністю нуклеотидів: ГАА АГТ АЦА ЦГЦ ТГЦ ТТА АГЦ ЦТГ. (Згадуємо, що в іРНК замість Тиміну Урацил).
ДНК: ГАА АГТ АЦА ЦГЦ ТГЦ ТТА АГЦ ЦТГ
іРНК: ЦУУ УЦА УГУ ГЦГ АЦГ ААУ УЦГ ГАЦ
Як тепер, користуючись цією іРНК, синтезувати відповідний білок? Що для цього необхідно? (Рибосоми, тРНК, амінокислоти, АТФ, ферменти).
Немає коментарів:
Дописати коментар