Наследственная информация – это информация о строении белка (информация о том, какие аминокислоты в каком порядке соединять при синтезе первичной структуры белка).

Информация о строении белков закодирована в ДНК, которая у эукариот входит в состав хромосом и находится в ядре. Участок ДНК (хромосомы), в котором закодирована информация об одном белке, называется ген .

Транскрипция - это переписывание информации с ДНК на иРНК (информационную РНК). иРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка (к рибосоме).

Трансляция - это процесс биосинтеза белка. Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома пептидной связью соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок.

Реакции транскрипции, трансляции, а так же репликации (удвоения ДНК) являются реакциями матричного синтеза . ДНК служит матрицей для синтеза иРНК, иРНК служит матрицей для синтеза белка.

Генетический код - это способ, с помощью которого информация о строении белка записана в ДНК.

Свойства генкода

1) Триплетность : одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Эти 3 нуклеотида в ДНК называются триплет, в иРНК - кодон, в тРНК - антикодон (но в ЕГЭ может быть и «кодовый триплет» и т.п.)

2) Избыточность (вырожденность): аминокислот всего 20, а триплетов, кодирующих аминокислоты - 61, поэтому каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами.

3) Однозначность : каждый триплет (кодон) кодирует только одну аминокислоту.

4) Универсальность : генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле.

Задачи

Задачи на количество нуклеотидов/аминокислот
3 нуклеотида = 1 триплет = 1 аминокислота = 1 тРНК

Задачи на АТГЦ
ДНК иРНК тРНК
А У А
Т А У
Г Ц Г
Ц Г Ц

Выберите один, наиболее правильный вариант. иРНК является копией
1) одного гена или группы генов
2) цепи молекулы белка
3) одной молекулы белка
4) части плазматической мембраны

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Первичная структура молекулы белка, заданная последовательностью нуклеотидов иРНК, формируется в процессе
1) трансляции
2) транскрипции
3) редупликации
4) денатурации

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации
1) ген --> иРНК --> белок --> признак
2) признак --> белок --> иРНК --> ген --> ДНК
3) иРНК --> ген --> белок --> признак
4) ген --> ДНК --> признак --> белок

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Выберите правильную последовательность передачи информации в процессе синтеза белка в клетке
1) ДНК -> информационная РНК -> белок
2) ДНК -> транспортная РНК -> белок
3) рибосомальная РНК -> транспортная РНК -> белок
4) рибосомальная РНК -> ДНК -> транспортная РНК -> белок

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Одной и той же аминокислоте соответствует антикодон ЦАА на транспортной РНК и триплет на ДНК
1) ЦАА
2) ЦУУ
3) ГТТ
4) ГАА

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Антикодону ААУ на транспортной РНК соответствует триплет на ДНК
1) ТТА
2) ААТ
3) ААА
4) ТТТ

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Каждая аминокислота в клетке кодируется
1) одной молекулой ДНК
2) несколькими триплетами
3) несколькими генами
4) одним нуклеотидом

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Функциональная единица генетического кода
1) нуклеотид
2) триплет
3) аминокислота
4) тРНК

Ответ

Выберите три варианта. В результате реакций матричного типа синтезируются молекулы
1) полисахаридов
2) ДНК
3) моносахаридов
4) иРНК
5) липидов
6) белка

Ответ

1. Определите последовательность процессов, обеспечивающих биосинтез белка. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) образование пептидных связей между аминокислотами
2) присоединение антикодона тРНК к комплементарному кодону иРНК
3) синтез молекул иРНК на ДНК
4) перемещение иРНК в цитоплазме и ее расположение на рибосоме
5) доставка с помощью тРНК аминокислот к рибосоме

Ответ

2. Установите последовательность процессов биосинтеза белка в клетке. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) образование пептидной связи между аминокислотами
2) взаимодействие кодона иРНК и антикодона тРНК
3) выход тРНК из рибосомы
4) соединение иРНК с рибосомой
5) выход иРНК из ядра в цитоплазму
6) синтез иРНК

Ответ

3. Установите последовательность процессов в биосинтезе белка. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) синтез иРНК на ДНК
2) доставка аминокислоты к рибосоме
3) образование пептидной связи между аминокислотами
4) присоединение аминокислоты к тРНК
5) соединение иРНК с двумя субъединицами рибосомы

Ответ

4. Установите последовательность этапов биосинтеза белка. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) отделение молекулы белка от рибосомы
2) присоединение тРНК к стартовому кодону
3) транскрипция
4) удлинение полипептидной цепи
5) выход мРНК из ядра в цитоплазму

Ответ

5. Установите правильную последовательность процессов биосинтеза белка. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) присоединение аминокислоты к пептиду
2) синтез иРНК на ДНК
3) узнавание кодоном антикодона
4) объединение иРНК с рибосомой
5) выход иРНК в цитоплазму

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой антикодон транспортной РНК соответствует триплету ТГА в молекуле ДНК
1) АЦУ
2) ЦУГ
3) УГА
4) АГА

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Генетический код является универсальным, так как
1) каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов
2) место аминокислоты в молекуле белка определяют разные триплеты
3) он един для всех живущих на Земле существ
4) несколько триплетов кодируют одну аминокислоту

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Участок ДНК, содержащий информацию об одной полипептидной цепи, называют
1) хромосомой
2) триплетом
3) геном
4) кодом

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Трансляция - это процесс, при котором
1) удваивается количество нитей ДНК
2) на матрице ДНК синтезируется иРНК
3) на матрице иРНК в рибосоме синтезируются белки
4) разрываются водородные связи между молекулами ДНК

Ответ

Выберите три варианта. Биосинтез белка, в отличие от фотосинтеза, происходит
1) в хлоропластах
2) в митохондриях
3) в реакциях пластического обмена
4) в реакциях матричного типа
5) в лизосомах
6) в лейкопластах

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Матрицей для трансляции служит молекула
1) тРНК
2) ДНК
3) рРНК
4) иРНК

Ответ

Все приведенные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания функций нуклеиновых кислот в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
1) осуществляют гомеостаз
2) переносят наследственную информацию от ядра к рибосоме
3) участвуют в биосинтезе белка
4) входят в состав клеточной мембраны
5) транспортируют аминокислоты

Ответ

АМИНОКИСЛОТЫ - КОДОНЫ иРНК
Сколько кодонов иРНК кодируют информацию о 20 аминокислотах? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

АМИНОКИСЛОТЫ - НУКЛЕОТИДЫ иРНК
1. Участок полипептида состоит из 28 аминокислотных остатков. Определите число нуклеотидов в участке иРНК, содержащего информацию о первичной структуре белка.

Ответ

2. Сколько нуклеотидов содержит м-РНК, если синтезированный по ней белок состоит из 180 аминокислотных остатков? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

3. Сколько нуклеотидов содержит м-РНК, если синтезированный по ней белок состоит из 250 аминокислотных остатков? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

4. Белок состоит из 220 аминокислотных звеньев (остатков). Установите число нуклеотидов участка молекулы иРНК, кодирующей данный белок. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

АМИНОКИСЛОТЫ - НУКЛЕОТИДЫ ДНК
1. Белок состоит из 140 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в участке гена, в котором закодирована первичная структура этого белка?

Ответ

2. Белок состоит из 180 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в гене, в котором закодирована последовательность аминокислот в этом белке. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

3. Фрагмент молекулы ДНК кодирует 36 аминокислот. Сколько нуклеотидов содержит этот фрагмент молекулы ДНК? В ответе запишите соответствующее число.

Ответ

4. Полипептид состоит из 20 аминокислотных звеньев. Определите количество нуклеотидов на участке гена, кодирующих эти аминокислоты в полипептиде. Ответ запишите в виде числа.

Ответ

5. Сколько нуклеотидов в участке гена кодируют фрагмент белка из 25 аминокислотных остатков? В ответ запишите только соответствующее число.

Ответ

6. Сколько нуклеотидов во фрагменте матричной цепи ДНК кодируют 55 аминокислот во фрагменте полипептида? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

АМИНОКИСЛОТЫ - тРНК
1. Какое число тРНК приняли участие в синтезе белка, который включает 130 аминокислот? В ответе напишите соответствующее число.

Ответ

2. Фрагмент молекулы белка состоит из 25 аминокислот. Сколько молекул тРНК участвовали в его создании? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

3. Какое количество молекул транспортных РНК участвовали в трансляции, если участок гена содержит 300 нуклеотидных остатков? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

4. Белок состоит из 220 аминокислотных звеньев (остатков). Установите число молекул тРНК, необходимых для переноса аминокислот к месту синтеза белка. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

АМИНОКИСЛОТЫ - ТРИПЛЕТЫ
1. Сколько триплетов содержит фрагмент молекулы ДНК, кодирующий 36 аминокислот? В ответе запишите соответствующее число.

Ответ

2. Сколько триплетов кодирует 32 аминокислоты? В ответ запишите только соответствующее число.

Ответ

НУКЛЕОТИДЫ - АМИНОКИСЛОТЫ
1. Какое число аминокислот зашифровано в участке гена, содержащего 129 нуклеотидных остатков?

Ответ

2. Сколько аминокислот кодирует 900 нуклеотидов? В ответ запишите только соответствующее число.

Ответ

3. Какое число аминокислот в белке, если его кодирующий ген состоит из 600 нуклеотидов? В ответ запишите только соответствующее число.

Ответ

4. Сколько аминокислот кодирует 1203 нуклеотида? В ответ запишите только количество аминокислот.

Ответ

5. Сколько аминокислот необходимо для синтеза полипептида, если кодирующая его часть иРНК содержит 108 нуклеотидов? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

НУКЛЕОТИДЫ иРНК - НУКЛЕОТИДЫ ДНК
В синтезе белка принимает участие молекула иРНК, фрагмент которой содержит 33 нуклеотидных остатка. Определите число нуклеотидных остатков в участке матричной цепи ДНК.

Ответ

НУКЛЕОТИДЫ - тРНК
Какое число транспортных молекул РНК участвовали в трансляции, если участок гена содержит 930 нуклеотидных остатков?

Ответ

ТРИПЛЕТЫ - НУКЛЕОТИДЫ иРНК
Сколько нуклеотидов во фрагменте молекулы иРНК, если фрагмент кодирующей цепи ДНК содержит 130 триплетов? В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

тРНК - АМИНОКИСЛОТЫ
Определите число аминокислот в белке, если в процессе трансляции участвовало 150 молекул т-РНК. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

ПРОСТО
Сколько нуклеотидов составляют один кодон иРНК?

Ответ

Сколько нуклеотидов составляют один стоп-кодон иРНК?

Ответ

Сколько нуклеотидов составляют антикодон тРНК?

Ответ

СЛОЖНО
Белок имеет относительную молекулярную массу 6000. Определите количество аминокислот в молекуле белка, если относительная молекулярная масса одного аминокислотного остатка 120. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

В двух цепях молекулы ДНК насчитывается 3000 нуклеотидов. Информация о структуре белка кодируется на одной из цепей. Подсчитайте сколько закодировано аминокислот на одной цепи ДНК. В ответ запишите только соответствующее количеству аминокислот число.

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Одной и той же аминокислоте соответствует антикодон УЦА на транспортной РНК и триплет в гене на ДНК
1) ГТА
2) АЦА
3) ТГТ
4) ТЦА

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Синтез гемоглобина в клетке контролирует определенный отрезок молекулы ДНК, который называют
1) кодоном
2) триплетом
3) генетическим кодом
4) геном

Ответ

В каких из перечисленных органоидов клетки происходят реакции матричного синтеза? Определите три верных утверждения из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) центриоли
2) лизосомы
3) аппарат Гольджи
4) рибосомы
5) митохондрии
6) хлоропласты

Ответ

Рассмотрите рисунок с изображением процессов, протекающих в клетке, и укажите А) название процесса, обозначенного буквой А, Б) название процесса, обозначенного буквой Б, В) название типа химических реакций. Для каждой буквы выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) репликация
2) транскрипция
3) трансляция
4) денатурация
5) реакции экзотермические
6) реакции замещения
7) реакции матричного синтеза
8) реакции расщепления

Ответ

Рассмотрите рисунок и укажите (А) название процесса 1, (Б) название процесса 2, (в) конечный продукт процесса 2. Для каждой буквы выберите соответствующий термин или соответствующее понятие из предложенного списка.
1) тРНК
2) полипептид
3) рибосома
4) репликация
5) трансляция
6) конъюгация
7) АТФ
8) транскрипция

Ответ

1. Установите соответствие между процессами и этапами синтеза белка: 1) транскрипция, 2) трансляция. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) перенос аминокислот т-РНК
Б) принимает участие ДНК
В) синтез и-РНК
Г) формирование полипептидной цепи
Д) происходит на рибосоме

Ответ

2. Установите соответствие между характеристиками и процессами: 1) транскрипция, 2) трансляция. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) синтезируется три вида РНК
Б) происходит с помощью рибосом
В) образуется пептидная связь между мономерами
Г) у эукариот происходит в ядре
Д) в качестве матрицы используется ДНК
Е) осуществляется ферментом РНК-полимеразой

Ответ

Установите соответствие между характеристиками и видами матричных реакций: 1) репликация, 2) транскрипция, 3) трансляция. Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам.
А) Реакции происходят на рибосомах.
Б) Матрицей служит РНК.
В) Образуется биополимер, содержащий нуклеотиды с тимином.
Г) Синтезируемый полимер содержит дезоксирибозу.
Д) Синтезируется полипептид.
Е) Синтезируются молекулы РНК.

Ответ

Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используются для описания изображенного на рисунке процесса. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) по принципу комплементарности последовательность нуклеотидов молекулы ДНК переводится в последовательность нуклеотидов молекул различных видов РНК
2) процесс перевода последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот
3) процесс переноса генетической информации из ядра к месту синтеза белка
4) процесс происходит в рибосомах
5) результат процесса – синтез РНК

Ответ

Молекулярная масса полипептида составляет 30000 у.е. Определите длину кодирующего его гена, если молекулярная масса одной аминокислоты в среднем равна 100, а расстояние между нуклеотидами в ДНК составляет 0,34 нм. В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ

Выберите из перечисленных ниже реакций две, относящихся к реакциям матричного синтеза. Запишите цифры, под которыми они указаны.
1) синтез целлюлозы
2) синтез АТФ
3) биосинтез белка
4) окисление глюкозы
5) репликация ДНК

Ответ

Выберите три верных ответа из шести и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. К матричным реакциям в клетке относят
1) репликацию ДНК
2) фотолиз воды
3) синтез РНК
4) хемосинтез
5) биосинтез белка
6) синтез АТФ

Ответ

Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания процесса биосинтеза белка в клетке. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.
1) Процесс происходит при наличии ферментов.
2) Центральная роль в процессе принадлежит молекулам РНК.
3) Процесс сопровождается синтезом АТФ.
4) Мономерами для образования молекул служат аминокислоты.
5) Сборка молекул белков осуществляется в лизосомах.

Ответ

Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны. (1) При биосинтезе белка протекают реакции матричного синтеза. (2) К реакциям матричного синтеза относят только реакции репликации и транскрипции. (3) В результате транскрипции синтезируется иРНК, матрицей для которой служит вся молекула ДНК. (4) Пройдя через поры ядра, иРНК поступает в цитоплазму. (5) Информационная РНК участвует в синтезе тРНК. (6) Транспортная РНК обеспечивает доставку аминокислот для сборки белка. (7) На соединение каждой из аминокислот с тРНК расходуется энергия молекул АТФ.

Ответ

Все перечисленные ниже понятия, кроме двух, используются для описания трансляции. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) матричный синтез
2) митотическое веретено
3) полисома
4) пептидная связь
5) высшие жирные кислоты

Ответ

Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, используют для описания процессов, необходимых для синтеза полипептидной цепи. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) транскрипция информационной РНК в ядре
2) транспорт аминокислот из цитоплазмы на рибосому
3) репликация ДНК
4) образование пировиноградной кислоты
5) соединение аминокислот

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019

Кодирует аминокислотную последовательность белков с помощью нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот. Нуклеотидов всего четыре, а аминокислот - двадцать. Если бы каждая аминокислота кодировалась одним нуклеотидом, то закодировать можно было бы всего 4 аминокислоты. Если бы двумя нуклеотидами, то закодировать можно было бы только 16 аминокислот. Поэтому, чтобы можно было закодировать все необходимые аминокислоты, каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов, которое называется триплетом или кодоном .

Однако триплетов может быть 64, а аминокислот всего 20 (плюс стоп-кодон). Поэтому в генетическом коде возникает избыточность - ситуация, когда одну аминокислоту может кодировать несколько разных триплетов.

Задача

Как вы думаете, для чего эта избыточность может использоваться, какие дополнительные плюсы она дает?

Подсказка

Чем больше существует правильных вариантов написания слова, тем меньше вероятность ошибки.

Решение

Самым первым и очевидным ответом на данный вопрос является слово «стабильность». Если на одну аминокислоту приходится несколько похожих между собой триплетов, значит уменьшается вероятность того, что при точечной мутации в данном триплете мы получим в белке неправильную аминокислоту. Поэтому большинство кодонов, кодирующих одинаковую аминокислоту, отличается друг от друга всего лишь на одну нуклеотидную «букву». Чем больше кодонов кодирует данную аминокислоту, тем выше ее стабильность; поэтому самым большим количеством кодонов кодируются наиболее часто встречающиеся аминокислоты, например лейцин и аргинин; редкие же аминокислоты, например триптофан, наоборот, кодируются одним-единственным кодоном.

Сложно понять, что тут причина, а что следствие: то ли наиболее нужные аминокислоты стали кодироваться бо льшим количеством кодонов (то есть потребность в стабильности привела к этой самой стабильности), то ли, наоборот, чем больше кодонов было у аминокислоты (то есть чем стабильней она была), тем чаще стала встречаться. Очевидно, ответ на этот фундаментальный вопрос сродни ответу на вопрос «что было раньше - курица или яйцо?» и уходит корнями в те доисторические и трудноисследуемые времена, когда только возник и оптимизировался генетический код.

Кроме того, глядя на распределение частоты аминокислот (рис. 1), можно заметить, что, в общем и целом, чем проще по структуре аминокислота, тем чаще она встречается (например, тот же триптофан, имеющий одну из самых «сложносочиненных» структур, встречается реже всего). Это тоже понятно, поскольку простая структура, как правило, означает стабильность; «простую» аминокислоту легче синтезировать и труднее «испортить», чем «сложную».

Однако стабильность и устойчивость к мутациям - это не единственная польза от избыточности генетического кода. Играя с альтернативными кодонами, можно тонко регулировать различные параметры, связанные с работой нуклеиновых кислот. И прежде всего тут нужно упомянуть так называемый «перекос по кодонам» (Codon usage bias).

«Перекос по кодонам» - это ситуация, при которой из нескольких синонимичных кодонов в данном организме отдается предпочтение только одному или двум (рис. 2). Хотя многократно было показано, что для многих организмов такой перекос - обычная ситуация, отчего он происходит, до сих пор толком неясно. Наиболее принятое в научном сообществе объяснение для этого загадочного явления состоит в следующем.

Как известно, каждому кодирующему аминокислоту кодону соответствует своя тРНК . У некоторых организмов есть что-то вроде тРНК-«любимчиков», то есть тРНК для одного из синонимичных кодонов гораздо больше, чем для остальных. Если мы хотим, чтобы данный белок синтезировался быстро и правильно, нам лучше не экспериментировать с редкими кодонами, а собрать его последовательность из самых «попсовых» кодонов, тРНК для которых с большей вероятностью будут проплывать мимо рибосомы и не задержат трансляцию.

«Перекос» по различным тРНК наблюдается прежде всего у быстрорастущих организмов, которые нуждаются в «промышленном» синтезе определенных белков. Причем перекос по кодонам наблюдается прежде всего для белков, экспрессирующихся на высоком уровне, то есть для тех, для которых скорость и качество синтеза особенно важны. При этом природа возникновения перекоса по тРНК до конца не ясна, и что возникло раньше - перекос по кодонам или перекос по тРНК, также совершенно непонятно.

Однако, несмотря на всё изящество, данное объяснение можно подвергнуть справедливой критике. Дело в том, что уровень трансляции белка определяется прежде всего на стадии инициации (когда мРНК только садится на рибосому), а не элонгации (когда к белковой цепи присоединяются новые аминокислоты). А раз элонгация - это не лимитирующая стадия белкового синтеза, то возня с подбором сотен оптимальных кодонов для ее ускорения кажется не совсем оправданной.

Другая версия существования перекоса связана со вторичными структурами, образуемыми мРНК. Комплементарные области мРНК сворачиваются в участки двойной спирали - шпильки. Иногда эти шпильки играют важную роль в регулировке различных внутриклеточных процессов (подробней об этом рассказано в задаче «Форма и содержание»). Однако в общем и целом такие шпильки сильно отравляют существование аппарату белкового синтеза и замедляют трансляцию. Причем легко догадаться, что шпильки, богатые GC-парами (гуанин-цитозиновыми парами), будут держаться друг за друга крепче и расплетаться хуже, чем AU (аденин-урацил) богатые шпильки (потому что гуанин и цитозин связаны друг с другом тремя водородными связями, а аденин и урацил - всего двумя).

Поэтому возможной причиной предпочтения определенных кодонов является такая оптимизация мРНК, при которой на ней будет образовываться как можно меньше шпилек (или, возможно, будут образовываться нужные шпильки в стратегических местах). Особенно важно, чтобы остался «бесшпилечным» участок, кодирующий начало белка, возле которого происходит инициация трансляции, поскольку нарушения в инициации губительны для трансляции в целом (см. об этом совсем свежую статью Daniel B. Goodman, George M. Church, Sriram Kosuri, 2013. Causes and Effects of N-Terminal Codon Bias in Bacterial Genes).

Еще одна загадка перекоса по кодонам связана с тем, что в некоторых случаях отдается явное предпочтение редким кодонам, обычно нехарактерным для данного вида. Одна из версий для объяснения этой странной закономерности состоит в том, что редкие кодоны появляются там, где необходимо замедлить трансляцию (например, там, где проходит граница доменов белка, чтобы предыдущий домен успел свернуться до того, как начнет синтезироваться следующий). Однако, насколько я поняла, серьезных доказательств для этой версии пока нет. Надо отметить, что участки, кодирующие самое начало, N-конец, белка как правило очень богаты редкими кодонами; почему - тоже пока не до конца понятно.

Наконец, еще одна интересная работа свидетельствует, что, по крайней мере для одного организма, цианобактерии Synechococcus elongate , в группе циркадных (управляющих суточными ритмами) генов, наоборот, используется неоптимальный перекос по кодонам - то есть для кодирования данных генов используются не самые популярные кодоны (Yao Xu et al., 2013. Non-optimal codon usage is a mechanism to achieve circadian clock conditionality). Авторы предполагают, что таким образом, с помощью определенных молекулярных механизмов, нарушается экспрессия данных генов в холодных условиях, когда данной цианобактерии выгодней обходиться без суточных ритмов.

Послесловие

Практическое применение перекоса по кодонам прежде всего лежит в сфере биотехнологий. Дело в том, что сплошь да рядом в среде биотехнологов происходят печальные происшествия: какой-то ген, заботливо вставленный в данный организм биотехнологическим способом, наотрез отказывается там экспрессироваться или экспрессируется слишком вяло. Причина часто в том, что исследователи не учитывают несоответствие перекоса по кодонам, характерного для организма-донора (из которого берется ген) и организма-реципиента (в который этот ген вставляется). Изменив последовательность гена нужным образом, вставив туда кодоны, популярные в организме-реципиенте, можно исправить данную ситуацию и добиться высокого уровня экспрессии.

Это может быть полезно в самом широком диапазоне применений — от выращивания белков в бактериальных клетках до генной терапии, при которой в организм вместо поломанной, мутантной версии гена вставляется правильная.

Эта статья — повторение очень важной информации из ранее опубликованного с некоторыми косметическими улучшениями: что такое ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. Без ясного понимания этого вопроса трудно читать некоторые другие генетические посты, поэтому я ОЧЕНЬ советую разобраться в этой теме. На самом деле это совсем несложно.

Итак, мы знаем, что в генах каким-то образом зашифрована инструкция для создания белков и РНК. С РНК все понятно: и ДНК состоит из нуклеотидов, и РНК состоит из них же. Поэтому РНК строится очень просто: напротив одного нуклеотида ДНК пристраивается один [комплементарный] нуклеотид будущей РНК, и так и создается цепочка нуклеотидов, составляющих РНК — один нуклеотид за другим. После этого РНК отсоединяется, проходит финальную обработку и приступает к работе. Тут все ясно.

А как быть с построением белков? Белки ведь состоят не из нуклеотидов, а из аминокислотных остатков. Нуклеотиды и аминокислоты очень сильно отличаются друг от друга, это просто принципиально разные молекулы. Да и к тому же нуклеотидов лишь четыре вида в каждой молекуле ДНК или РНК, а аминокислотных остатков — целых двадцать (и даже немного больше, как мы уже знаем). Значит, не получится одному нуклеотиду поставить в соответствие одну аминокислоту. Тут нужен именно некий ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, то есть — какие-то совершенно конкретные правила, по которым из четырех «букв»-нуклеотидов каким-то образом составляются «слова», которые должны каким-то образом считываться и затем переводиться в последовательность аминокислотных остатков. Выглядит весьма сложно, но другого варианта быть не может.

Ход мыслей генетиков, которые пытались разобраться в этом вопросе, был достаточно прост и предсказуем - ну по крайней мере сейчас так кажется:) Давай пройдем по цепочке их рассуждений.

1. ДНК, в которой в виде генов зашифрована наша наследственная информация, состоит из длинного, очень длинного набора нуклеотидов, которых насчитывается четыре вида - аденин, гуанин, цитозин и тимин (A, G, C, T или, русскими буквами, А, Г, Ц, Т). Можно попробовать запомнить эти названия все сразу, в конце концов четыре наименования — не так уж и много. А если чувствуешь, что они путаются, ну начни запоминать с какого-то одного, например выбери ГУАНИН, который своим благозвучным названием обязан гуано (помету морских птиц), из которого его впервые выделили ученые. Раньше у нас была статья о том, как легко запомнить формулу аденина.

2. Белки построены из аминокислотных остатков, которых в земных организмах насчитывается чуть больше 20 видов (если точнее: 20+2+1). Как там обстоят дела у организмов, живущих на Энцеладе, узнаем позже у Элона Маска или Джеффа Безоса:).

3. Мы знаем, что есть двоичный компьютерный код, устроенный таким образом, что определенная совокупность нулей и единиц обозначает конкретное число нашей десятичной системы счисления. Так может быть и здесь та же схема? То есть какая-то конкретная последовательность нуклеотидов обозначает какую-то определенную аминокислоту?
И если это так, то должен существовать какой-то неизвестный клеточный механизм, который каким-то образом понимает, с какого места надо начинать считывать последовательность нуклеотидов для постройки нужного белка? Да, это должно быть так, ведь ДНК невероятно длинная, нельзя же ее всю целиком считывать, если нужно найти лишь определенное место, где начинается ген.

Потом еще должны быть клеточные механизмы, которые будут разворачивать в нужном месте спираль ДНК, а иначе как считывать информацию с гена?
Потом надо еще разделять двойную спираль ДНК в этом месте на две отдельные нити и считывать информацию.
А потом надо будет обратно сшить нити ДНК в одну двойную спираль.
И уже потом надо как-то переносить полученную информацию туда, где каким-то непонятным образом будет создаваться определенный белок.
Получается, что в клетке должна быть целая совокупность молекулярных механизмов, обслуживаемая целыми толпами высокоспециализированных белков-помощников?…

Итак, есть набор нуклеотидов. Есть набор аминокислот. Между ними непременно должна быть какая-то логическая связь. Да, тут столько всяких «непонятно как», но другого варианта просто не видно. Поэтому генетики последовали заветам Шерлока Холмса, который отбрасывал невозможные версии до тех пор, пока не останется одна, возможная, и поэтому верная. Они решили, что скорее всего, всё устроено именно так сложно, и нужно просто начать внимательно изучать ДНК и искать ответы на все эти вопросы. И их усилия увенчались успехом, всё в самом деле оказалось именно так. Впрочем, не совсем. Все оказалось устроено не просто сложно, а чрезвычайно сложно, в десятки раз сложнее, чем это можно было бы изначально вообразить. И до сих мы понимаем все эти процессы только в самых общих чертах.

Итак, зная, что ДНК состоит всего из четырех видов нуклеотидов, а белки строятся из двадцати аминокислот, легко догадаться, что не может быть такого, чтобы одному виду аминокислот соответствовал один нуклеотид. Значит не может одна «буква» ДНК кодировать одну аминокислоту. А две? Допустим, если подряд стоят аденин и цитозин (AЦ), то это обозначает одну аминокислоту. Может такое быть?
Нужно подсчитать — сколько комбинаций мы можем составить из 4-х нуклеотидных букв: AA, АГ, АЦ, АТ, ГГ, ГЦ, ГТ, ЦЦ, ЦТ, TT. Всё. Десять штук. Не 20. А вдруг клеточные механизмы способны различать АГ и ГА? Не поможет. Всё равно лишь 16 и никак не 20.
Ладно… А если комбинировать их по три штуки? Ну, тогда получается целых 64 комбинации. Неужели природа создала такую избыточность вариантов, зачем? Впрочем, другого варианта нет, значит так?

Оказалось именно так. Именно трёхбуквенным оказался один КОДОН - группа нуклеотидов, кодирующих какую-то определенную аминокислоту. А избыточность количества разных кодонов оказалась очень полезным изобретением природы (об этом мы напишем позже).

Итак: каждой аминокислоте соответствует как минимум одна комбинация последовательно расположенных трёх нуклеотидов.
Зафиксируем эту ясность и пойдем дальше.

Например, если в гене стоит участок ЦЦЦ (цитозин-цитозин-цитозин), то на соответствующее место в белке, который строится по этому гену, будет поставлена аминокислота пролин, и никакая другая.

После доказательства трехбуквенности кодона встал вопрос: каким образом целых 64 возможных комбинации из трех нуклеотидов могут кодировать всего 20 аминокислот? На этот раз всё оказалось просто — несколько кодонов могут обозначать одну и ту же аминокислоту.

Помнишь, выше мы писали, что клеточные механизмы должны как-то понимать, с какого места начать считывание гена, а в каком месте заканчивать. Оказалось, что один из кодонов является СТАРТ-КОДОНОМ, и еще три — СТОП-КОДОНАМИ. Такие кодоны стоят в начале и, соответственно, в конце каждого гена. Если, к примеру, вытащить старт-кодон из цепочки ДНК перед геном, то этот ген никогда считываться не будет.

В таблице, прикрепленной к этому посту, содержится почти весь наш генетический код. Простая штука, четыре на четыре ячейки, но получение этой информации дало гигантский импульс в развитии генетики и смежных наук.
(В этой таблице вместо тимина (Т) указан урацил (U), поскольку в РНК, которая является зеркальной копией гена, вместо тимина стоит урацил — так легче и нам и клеточным механизмам отличать ДНК от РНК — это очень важно, чтобы случайно не начать портить ДНК вместо того, чтобы обрабатывать РНК).

Теперь давай немного погуляем по этой таблице.

Некоторые аминокислоты кодируются двумя, другие — четырьмя или даже шестью кодонами, и лишь одна аминокислота — триптофан — кодируется всего лишь одним кодоном. Такое распределение кодонов не случайно, иначе естественный отбор давно бы его уничтожил. Вообще каждый раз, когда тебе кажется какое-то свойство живого существа непонятно-нелепым, стоит вспоминать, что эволюция не терпит несовершенств и излишеств: то, что не приносит каким-нибудь образом пользы организму или виду в целом, надолго не задерживается.

Часто кодоны, обозначающие одну и ту же аминокислоту, отличаются только последней буквой. Это отпечаток древнейшей истории: самые первые живые существа были гораздо более примитивными, чем самые простейшие из существующих на данный момент, и обходились гораздо меньшим количеством аминокислот в своих клетках. Так что им вполне хватало двухбуквенного кода, составленного из тех же четырех нуклеотидов. Но потом оказалось, что в окружающем этих существ бульоне есть еще кое-какие полезные штуки, которые неплохо бы применить в хозяйстве. Чтобы использовать все доступные и полезные аминокислоты, двухбуквенного кода уже не хватало, и нашим далеким предкам пришлось пожертвовать скрепами и расширить свой алфавит.

То, что некоторые кодоны отличаются лишь последней аминокислотой, дает нам особую устойчивость. Если при копировании ДНК будет совершена ошибка, и если наши инструменты коррекции ее пропустят, то например вместо ЦЦЦ будет ЦЦТ или ЦЦА — а нам-то всё равно! Потому что все эти кодоны соответствуют одной и той же аминокислоте — пролину, и белок будет построен в этом месте правильно.

Благодаря тому, что все живые существа Земли используют именно этот генетический код (есть некоторые исключения в мире микроорганизмов), и становится возможным обмен генами между разными видами. Можно поместить ДНК одного существа в клетку другого, и она будет успешно прочитана, и по ней начнется производство совершенно конкретных белков или РНК. Так поступают бактерии, обменивающиеся друг с другом генами в процессе горизонтального переноса. Так поступают вирусы, впрыскивая свою ДНК в клетку другого организма. Единство генетического языка приводит к тому, что жизнь на Земле пребывает в состоянии удивительной физиологической гармонии (эту фразу могут пропустить те, у кого сегодня болит живот).

Теперь ты имеешь самые базовые познания о генетическом коде, и другие наши статьи про работу генов, белков, РНК и т.д. будет понимать намного легче.

Основные понятия и ключевые слова к теме:

Нуклеиновая кислота Нуклеотид

Азотистые основания Репликация

Генетическая информация Ген

Транскрипция Генетический код

Кодон, генетический антикодон Трансляция

Аминокислота Биосинтез белка

Полимераза

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф. Гриффит обнаружил у пневмококков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Природа трансформирующего агента была установлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации.

Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в аперльском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной биологии, изучающей основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.

Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового: цитонин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО - 3). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360 о, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 градусов вокруг спирали относитльно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 34нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что количественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

А=Т; Г=Ц или А+Г/Ц+Т=1

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5’ положения одного пентозного конца и 3’ положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5’ – 3’ связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5’ конца к 3’ концу – такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3’-5’ считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарны пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити. Следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК. Полиморфизм ДНК – это способность молекулы принимать различные конфигурации.

Знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, должна предаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортировалась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вторых, еще более важным казалось то, что сахарофосфатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сходны и было бы легко представить себе, как происходит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочной ДНк с образованием нестабильных гибридных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:

транскрипция трансляция

Репликация ДНК---------→ РНК---------→ белок,

где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репликация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных цепей белков в процессе, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.

РНК – рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

q углеводом РНК, к которому присоединяются пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;

q в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молекуле РНК занимает урацил;

q РНК – одноцепочечная молекула;

q так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, может не выполняться по равенству содержания оснований.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках как про- так и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа гетерогенная ядерная РНк (гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК.

Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемых антикодонами. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК.

Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв –нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г.Гамовым. основные свойства кода триплетность и вырожденность выявили в 1961 г. Ф. Крик и С. Бреннер.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Система, содержащая искусственную мРНК, состоящую только из урациловых нуклеотидов, синтезировала полипептидную цепь, состоящую только из фенилаланина (в ДНК кодом для нее должен быть комплементарный триплет нуклеотидов – ААА). К 1965 г. был расшифрован полностью весь генетический код. Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами.

В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода – секвенирования.

Свойства генетического кода.

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

2. Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (аминокислот – 20, а триплетов – 64), исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета УАА, УАГ, УГА – это стоп-сигналы (терминирующие кодоны), прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.

3. Однозначность – каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота.

4. Генетический код не перекрываем – процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков вплоть до нонсенс-кодонов.

5. Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации кодируется одинаково.

Матричные процессы в клетке.

Существуют три типа матричных процессов в клетках: репликация, транскрипция и трансляция.

Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией, которая должна передаваться полностью и с очень высокой точностью.

Репликация – удвоение ДНК, происходящее в синтетическую (S) стадию интерфазы пред каждым делением клетки.

Консервативная репликация. Исходная двухцепочная молекула ДНК служит матрицей для образования совершенно новой двухцепочечной молекулы, нацело достраивающейся на исходной.

Полуконсервативная репликация. Две нити ДНК расплетаются (как застежка - молния). Каждая цепь служит матрицей для образования новой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним тут же присоединяются свободные нуклеотиды, раннее синтезированные в цитоплазме. В результате каждая половинная спираль снова становиться целой, и вместо одной молекулы получаются две, в результате чего хромосома становится двухроматидной.

Дисперсионная репликация. Исходная ДНК распадается на короткие разной длины фрагменты, используемы в качестве матриц для постоения фрагментов двух новых двойных спиралей, которые затем воссоздаются в единую структуру молекулы. Образованные молекулы ДНК содержат старые и новые фрагменты.

М.Мезельсон и Ф. Сталь , используя авторадиографический метод, показали, что полуконсервативный метод репликации характерен для всех эукариот и большинства прокариот.

В 1955 г. А. Корнберг и его коллеги из Стенфордского университета открыли фермент, который обеспечивает репликацию ДНК, и назвали его полимеразой .

На современном этапе среди ферментов, участвующих в синтезе ДНК, выделены ДНК-полимеразы I, II, III , обладающие 5’→ 3’ полимеразной активностью.

Поскольку ДНК- полимеразы катализируют репликацию только в направлении 5’→ 3’, а цепи родительской ДНК антипараллельны, только одна из новых цепей синтезируется непрерывно. Эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь, называемая отстающей, синтезируется в виде фрагментов ДНК – фрагменты Оказаки , которые у эукариот имеют последовательность 100-200 нуклеотидов. Эти фрагменты лигируются (сшиваются) полинуклеотидлигазами, и образуется непрерывная цепь. Этот процесс называется созреванием. Синтез каждого фрагмента Оказаки (3’→ 5’) начинается на маленьком фрагменте РНК (около 10-60 нуклеотидов), который удаляется еще до окончания считывания фрагмента. Это так называемая затравка, или праймер .

В любой клетке человека под влиянием различных факторов в ДНК ежедневно происходят тысячи случайных изменений, а за год в каждой клетке накапливается лишь очень небольшое число стабильных изменений нуклеотидной последовательности ДНК. Среди множественных случайных замен оснований в ДНК лишь одна на тысячу приводит к возникновению мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидируются в процессе репарации ДНК. Механизм репарации («залечивание» повреждений ДНК) основан на том, что молекула ДНК имеет две копии генетической информации – по одной в каждой из нитей молекулы. Основной путь репарации включает три этапа:

1. Измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. В спирали ДНК в этом месте возникает брешь;

2. ДНК –полимераза и гликозилазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити;

3. ДНК – лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы.

Транскрипция (переписывание) – синтез на ДНк-матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в релаксированном состоянии. Это первый этап белкового синтеза. Матричная РНК (мРНК) содержит генетическую инструкцию по синтез определенного полипептида и переносит ее к белоксинтезирующему аппарату клетки, находящемуся в рибосомах цитоплазмы клеток.

Для инициации транскрипции необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором . Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК – это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом , в результате которого молекулы подвергаются модификации по 5’→ 3’ концам и сплайсингу. Сплайсинг гетерогенной ядерной РНК это удаление последовательностей РНК, соответствующих интронам ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов.

Трансляция (перевод) – процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденсацией отдельных аминокислотных остатков, начиная с аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу.

Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс трансляции – декодирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декодирования осуществляется от 5’→ 3’ и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой .

Трансляция начинается со старого кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК (тРНК), специфичная к данной аминокислоте. тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчастице, образует связь кодон – антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединице. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той тРНК, которая преносит метионин. Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома – инициирующий комплекс.

Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) была открыта в 1984 г. Кэри

Б. Мюллисом. Она основана на том, что новосинтезируемые цепи нуклеиновых кислот могут служить матрицами в следующих циклах репликации:

q двухспиральная ДНК при нагревании разделяется на состовляющие одноцепочные цепи и в таком состоянии может служить матрицей для репликации;

q одноцепочные нити ДНК инкубируются в присутствии ДНК-полимеразы и раствора, содержащего смесь всех 4 нуклеотидов, а также специфические последовательности ДНК (праймеры), что приводит к синтезу копий двух молекул ДНК.

Затем процедуры повторяются сначала, и происходит копирование как старых, так и новых одноцепочечных цепей с образованием третьей и четвертой молекулы ДНК, затем все четыре снова копируются и тд. В результате 20-30 циклов амплифицируется (увеличивается число копий) эффективное количество ДНК. Отдельный цикл занимает около 5 мин, а для бесклеточного молекулярного клонирования фрагмента ДНК требуется всего несколько часов.

Метод ПЦР отличается очень высокой чувствительностью: он позволяет обнаружить в пробе всего одну присутствующую в ней молекулу ДНК. Метод получил широкое использование в пренатальной диагностике наследственных болезней, выявлении вирусных инфекций, а также в судебной медицине, поскольку дает возможность проводить генетическую «дактилоскопию» даже по одной единственной клетке.

Клеймо создателя Филатов Феликс Петрович

Глава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)

Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)

Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько заинтриговавшее его начало книжки оборачивается страницами из учебника для старших классов, способными привести в уныние любого, кто вспомнит родную школу. Искушенному же Читателю, напротив, все рассказанное хорошо известно, и он, грешным делом, подумывает, не написать ли самому учебник посвежее – для тех же старших классов. Не мысля гордый свет забавить – другими словами, не имея намерения вогнать в скуку того и другого, Автор хотел бы подчеркнуть, что понимает: дьявол скрывается в деталях. Но их так много в молекулярной биологии, что любая формализация кажется возмутительным упрощением. Однако, часто бывает, что соблазн формализации неодолим, и тут Автор не может отказать себе в удовольствии еще раз процитировать испанского философа Хосе Ортегу-и-Гассета:

«Серый цвет аскетичен. Такова его символика в обыденном языке, на этот символ и намекает Гете: „Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо“. Самое большее, на что способен цвет, не желающий быть цветом, – стать серым; зато жизнь представляется зеленым деревом – какая экстравагантность!.. Элегантное желание предпочесть серый цвет чудесной и противоречивой цветовой экстравагантности жизни приводит нас к теоретизированию. В теории мы обмениваем реальность на тот ее аспект, каким являются понятия. Вместо того чтобы в ней жить, мы о ней размышляем. Но как знать, не скрывается ли за этим явным аскетизмом и удалением от жизни, каким является чистое мышление, наиболее полная форма жизненности, ее высшая роскошь?»

– Браво, Хосе! Именно так я и думаю – даже убежден в этом.

Формализации, теоретизированию, схемам, дизайну генетического кода посвящена основная, хотя и меньшая по объему, оставшаяся часть книги, к которой Автор сейчас переходит. Первая формальная гипотеза структуры генетического кода представляет собой возможный ответ на вопрос, почему кодируемых аминокислот именно двадцать .

В 1954 году Гамов первым показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации ». Он был первым, кто предположил кодирование аминокислот триплетами нуклеотидов и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых уч?ных дожив?т до его [генетического кода] расшифровки» . В 1968 году американцы Роберт Холли, Хар Корана и Маршалл Ниренберг получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода. Премия была присуждена уже после смерти Георгия Гамова в том же году четырьмя месяцами ранее.

Числа 64 (теоретическая емкость кода) и 20 (фактическая кодирующая емкость, то есть количество кодируемых аминокислот) составляют соотношение правил комбинаторики для размещений и сочетаний с повторами: число А размещений (упорядоченных наборов) с повторами из r (r = 3; размер кодона) элементов множества М, содержащего k (k = 4; число оснований) элементов, равно

A k r = k r = A 4 3 = 64,

а число С сочетаний с повторами из k элементов по r, т. е. любое подмножество из 3 элементов множества, содержащего 4 элемента, равно:

С k r = [(k+r-1)!] : = С 4 3 = 20.

Это немедленно подводит к мысли о том, что эволюция генетического кода могла начаться с этапа «наборного» кодирования, когда продукт кодировался не последовательностью оснований триплета, а их набором, то есть две такие группы кодонов, как например, САА , АСА , ААС или TGC , TCG , GCT , GTC , CTG , CGT были функционально равнозначны (внутри группы) и направляли синтез одной и той же аминокислоты каждый. Подобные соображения приходят в голову при чтении работ Ишигами и Нагано (1975) – с их идеей о том, что каждая первичная аминокислота могла соответствовать широкому набору кодонов, а также Фолсома (1977) и Трейнора (1984) – с их идеей пермутации оснований в рамках триплета. Очевидно, что меньшее число кодонов не обеспечивало необходимого разнообразия продуктов, а бо льшее было избыточно и, по крайней мере, не соответствовало числу известных сегодня аминокислот. В свое время мы также внесли (очень) скромную лепту в эти идеи, отметив, что число сочетаний из 4 по 3 с повторами иллюстрируется числом квантовых состояний Бозе-газа из трех частиц с четырьмя вероятными собственными квантовыми состояниями54.

Позднее Гамов предложил схему реализации генетического кода, которая предусматривала сборку полипептида непосредственно на молекуле ДНК. По этой модели, каждая аминокислота помещается в ромбической выемке между четырьмя нуклеотидами, по два от каждой из комплементарных цепей. Хотя такой ромб состоит из четыр?х нуклеотидов и, следовательно, число сочетаний равно 256, из-за ограничений, связанных с водородными связями нуклеотидных остатков, возможными оказываются как раз 20 вариантов таких ромбов. Эта схема, получившая название бубнового кода , предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, однако, что эта модель Гамова также не согласуется с опытными данными.

Если бы емкость генетического кода использовалась без остатка, то есть каждому триплету соответствовала бы только одна аминокислота, его защищенность была бы весьма сомнительна: любая нуклеотидная мутация могла оказаться катастрофической. В случае же действующей версии треть случайных точечных мутаций приходится на последние буквы кодонов, половина которых (кодоны октета I ) к мутациям не чувствительна вовсе: третья буква кодона может быть любой из четырех – T , C , A или G . Устойчивость к точечным мутациям кодонов октета II в значительной степени определяется двумя факторами – (1) возможностью произвольной замены третьего основания (правда, уже при выборе только из двух – либо пуринов, либо пиримидинов), не меняющей кодируемой аминокислоты вовсе, и (2) возможностью замены пуринов на пиримидины и наоборот, которая сохраняет близкую гидрофильность/гидрофобность продуктов, хотя и не сохраняет их массы. Таким образом, Природа использует чрезвычайно удачный «люфт», называемый вырожденностью кода, когда кодируемому знаку соответствует более, чем один кодирующий.

Эволюция последовательно уточняла функции каждого из трех оснований кодона, что, в конечном счете, привело строгой триплетности только двух кодонов: ATG – для M (метионина) и TTG – для W (триптофана). По способности триплета кодировать только одну аминокислоту отнесем эти два к группе вырожденности I . Когда продукт кодируется фиксированным дублетом оснований, а третье может быть любым из четырех возможных и фактически служит разделителем между функциональными дублетами, говорят об аминокислотах группы вырожденности IV ; таких аминокислот восемь: аланин, A , аргинин, R , валин, V , глицин, G , лейцин, L , пролин, P , серин, S , треонин, T . Обобщенный кодон для каждой аминокислоты этой группы, например, лейцина, записывается так: СТ N (N -произвольное основание).

Двенадцать кодируемых продуктов относятся к группе вырожденности II ; в этой группе третье основание – одно из двух (а не из четырех , как в предыдущем случае): это пурин (R ), то есть, либо аденин, А , либо гуанин, G , – или пиримидин (Y ), то есть, либо цитозин, С , либо тимидин, Т . К этой группе относятся три аминокислоты, знакомые нам по четвертой группе вырожденности, – аргинин, лейцин и серин, но кодируемые здесь другими дублетами, две пары – аспарагин/аспарагиновая кислота (N/D ), и глутамин/глутаминовая кислота (Q/E ), а также гистидин H , лизин K , и тирозин Y . Универсальный генетический код относит к этой группе также цистеин С , с его двумя кодирующими триплетами – TGC и TGT , то есть, с третьим пиримидином, а также три стоп-кодона, TAG , TAA и TGA , которые работают только как пунктуационные знаки, фиксирующие окончание гена, но не кодирующие никакой аминокислоты. Обобщенный кодон для аминокислот этой группы, например, аспарагина, записывается так: AAY , а аспарагиновой кислоты – GAR .

Наконец, группа вырожденности III содержит изолейцин, кодируемый тремя триплетами ATA , ATC и ATT . Основания А , С и Т , третьи в кодонах для I , имеют общий символ Н , поэтому обобщенный изолейциновый кодон записывается так: АТН . Все эти особенности кода хорошо иллюстрирует приведенная выше его таблица.

Любопытно, что молекулярная масса кодируемой аминокислоты находится в обратной зависимости от номера группы вырожденности, к которой она относится (В. Щербак). Это первое, отмечаемое здесь, свидетельство очевидной причастности молекулярной массы компонентов генетического кода к его рациональной организации.

В приведенной табличке упорядоченность по нарастанию молекулярной массы относится к аминокислотам в составе упорядоченных по номерам групп вырожденности (римские цифры), сгруппированным в два октета (арабские цифры). При этом позиция цистеина С скорректирована, о чем речь будет идти в следующей главе; там же мы расскажем и об октетах.

Возвращаясь к выбору именно двадцати аминокислот для кодирования, стоит отметить еще одно интересное обстоятельство: этот выбор мог определяться также квантовой теорией информации, которая предлагает оптимальный алгоритм (алгоритм Гровера) упаковки и чтения информационного содержания ДНК (Апурва Патель, 2001). Такой алгоритм определяет число объектов N , различаемое числом ответов да/нет на вопросы Q , следующим образом:

(2Q +1) sin -1 (1 / ?N) = ? /2 .

Решения этого уравнения для малых значений Q весьма характерны:

Q = 1lnN = 04.0

Q = 2lnN = 10.5

Q = 3lnN = 20.2.

Теоретически эти значения не обязательно должны быть целыми числами. Любопытно, что в первом приближении они соответствуют последовательности тетраэдрических чисел, а также эволюции функционального размера кодона от синглетного к триплетному. Другими словами, тетраэдр также можно построить из десяти и из четырех мономеров; эти числа и отмечены в решениях приведенного уравнения. Позднее мы покажем, что комбинация размерных параметров аминокислот и нуклеотидов, базирующаяся на предложенных нами правилах, приводит к пространственному равновесию тетраэдра из двадцати мономеров, соответствующих этим аминокислотам. Здесь же стоит, пожалуй, вспомнить актуальные до сих пор слова В?зе (1973): «Представляется почти жестокой шуткой, что Природа выбрала такое число [кодируемых ] аминокислот, какое легко получается в результате множества

математических операций ». Но, так или иначе, двадцати альфа-аминокислот (из сотен, встречающихся в природе) оказалось довольно для обеспечения необходимого разнообразия белков.

…………………

Число 496 , которым обозначена эта глава, интересно тем, что оно относится к классу так называемых совершенных чисел , и это единственное трехзначное совершенное число. Совершенным называют натуральное число, равное сумме всех своих собственных делителей (т. е. всех положительных делителей, отличных от самого? числа). Сумма всех делителей числа 496 , то есть, 1+2+4+8+16+31+62+124+248, равна ему самому. Мы вспомнили о совершенных числах и отмечаем уникальность именно этого числа, потому что оно, во-первых, трехзначно – как трехзначны кодирующие элементы, о которых мы говорим, а во-вторых, как и все предыдущие упомянутые здесь числа, оно – случайно или нет – характеризует один из формальных параметров генетического кода, о которых мы будем говорить дальше. Терпение читателя небезгранично, и Автор вспоминает в связи с этим выдержку из письма одного из читателей известному популяризатору математики Мартину Гарднеру: Перестаньте отыскивать интересные числа! Оставьте для интереса хотя бы одно неинтересное число ! Но соблазн велик, и трудно удержаться.