Генетический код и его свойства

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты получили свое название от латинского nucleus - ядро, так как были открыты 1868 г. швейцарским врачом Иоганом Фридрихом Мишером как составная часть ядра. Термин «нуклеиновая кислота» был введен в 1889 г Рихардом Альтманом.

Нуклеиновые кислоты наряду с белками являются важнейшими биополимерами живой клетки. Основная функция ДНК - хранение и передача наследственной информации. Именно ДНК используется в генной инженерии для создания новых видов организмов.

Подобно белкам, ДНК имеют первичную, вторичную и третичную структуры. ДНК в ядрах находится в комплексе с белками (в основном гистонами) в виде нуклеопротеида, где НК связаны водородными и солевыми связями с белками.

Цепи НК построены по иному принципу, чем цепи белков. Цепь нуклеиновой кислоты однообразна. Она состоит из одних и тех же звеньев - нуклеотидов, выступающих в роли мономеров. Нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания (пуринового или пиримидинового), пятиуглеродного циклического углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 1.11).

Основание связано с 1-м углеродным атомом углевода одним из своих атомов азота С-N- связью (образуется нуклеозид), а остаток фосфорной кислоты связан эфирной связью с 5-м углеродом углевода. В образовании нуклеиновых кислот могут участвовать две группы нуклеотидов, отличающиеся друг от друга природой cахаров и оснований, которые входят в их состав – рибонуклеотиды (содержат сахар рибозу) и дезоксирибонуклеотиды (содержат дезоксирибозу). Первые образуют рибонуклеиновые кислоты (РНК), вторые – ДНК. В ДНК имеются нуклеотиды четырех типов, различающиеся лишь азотистыми основаниями. К этим основаниям относятся два пурина (Pu) – аденин (A) и гуанин (Г) – и два пиримидина (Py) – тимин (T) и цитозин (Ц).

Рис. 1.11. Схема образования полинуклеотида

В РНК присутствуют те же звенья с заменой тимина на урацил (У) и дезоксирибозы на рибозу.

Рис. 2

Структура отдельного нуклеотида (а) и нуклеотидов, объединённых

в цепочку ДНК (б)

В 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель ДНК. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных и свитых вместе относительно одной оси (рис. ). Степень полимеризации очень высокая, цепь может состоять из нескольких десятков (30 - 40) тысяч нуклеотидов (рис. ). Полный оборот спирали приходится на 10 пар оснований.

Каждая цепь – это регулярный полимер, в котором отдельные нуклеотиды соединяются между собой через остаток фосфорной кислоты по третьему атому углерода.

В отличие от углеводно-фосфатного остова, последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований вдоль цепи в высшей степени нерегулярна, каждая молекула ДНК определенного типа характеризуется особой последовательностью. Две цепи удерживаются вместе при помощи водородных связей между парами оснований. Такую структуру называют дуплексом. Цепи комплементарны друг другу, т. е. последовательность оснований в одной цепи определяет их последовательность в другой. Аденин всегда соответствует тимину, а гуанин – цитозину (А ↔ Т; Г ↔ Ц).

Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. В основе удвоения молекул ДНК также лежит принцип комплементарности. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются. При этом две нити исходного дуплекса расходятся, и каждая из них способна управлять построением комплементарной цепи из мономеров, что приводит к воссозданию двух дуплексов, идентичных исходному – «дочерние молекулы». Каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской, и другую нить, синтезированную вновь.

Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток и организма в целом. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном, а информацию, которую содержит ДНК, - генетической.

Однако последовательность нуклеотидов в каждой из цепей – это только чертеж для создания новых молекул ДНК. Для сборки новых цепей нужен достаточный запас мономеров, а также специальное устройство, осуществляющее последовательное присоединение мономеров к растущей новой полимерной цепи. Этими устройствами являются ферменты, названные ДНК-полимеразами. Процесс синтеза комплементарной дочерней цепи ДНК на одной из родительских цепей называется репликацией.

После установления строения ДНК было сформулировано представление о генетическом коде, то есть о том, как на молекуле ДНК записаны аминокислотные последовательности программируемых ею белков. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Непосредственно сборкой белков из аминокислот ДНК не управляет. Это делает РНК, которая синтезируется при участии ДНК.

Основные виды РНК

В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота одноцепочечная, правозакрученная спираль.

Главное химическое отличие между ДНК и РНК заключается в структуре сахара. Тот факт, что у рибозы есть лишняя ОН-группа, приводит к тому, что РНК легче подвергается действию окислителей, чем ДНК, т. е. менее устойчива.

Рибонуклеиновые кислоты подразделяются на три основных типа: матричную, или информационную (м-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомную (р-РНК). Все три типа РНК синтезируются непосредственно на ДНК, которая служит матрицей для этого процесса. Количество РНК в каждой клетке прямо пропорционально количеству вырабатываемого этой клеткой белка.

Матричная РНК составляет 3-5 % всей содержащейся в клетке РНК. Она обладает повышенной метаболической активностью, непрерывно распадается и синтезируется вновь.

Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, (о всех свойствах клетки и организма в целом) передается молекулами м-РНК. м- РНК переносится в цитоплазму, где с помощью рибосомидет синтез белка. Именно м-РНК, которая строится комплементарно одной из нитей ДНК, определяет порядок расположения аминокислот в белковых молекулах.

Рибосомная РНК входит в состав рибосом и определяет их структуру. Это высокомолекулярная РНК, нерастворимая в условиях клетки. Она составляет более 80 % всей РНК клетки. р-РНК кодируется особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах и расположенных в ядрышке. Последовательность оснований в р-РНК идентична для всех организмов - от бактерий до высших растений и животных.

Транспортная РНК составляет около 15 % всей клеточной РНК. Это растворимая в условиях клетки низкомолекулярная РНК (в нее входит в среднем 80 нуклеотидов). т-РНК доставляет активированные аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам, своеобразным фабрикам по производству белков. т-РНК играет роль связующих звеньев между триплетным кодом, содержащимся в м-РНК, и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. Каждая переносимая аминокислота имеет свою т-РНК. Вторичная и третичная структуры этой т-РНК весьма изменчивы и отличаются от матричной и рибосомной РНК.

Синтез молекул м-РНК

Синтез новых молекул РНК - транскрипция - осуществляется в ядре с помощью РНК - полимеразы. При этом соответствующая часть ДНК, содержащая информацию о некоторой определенной последовательности аминокислот, переписывается в определенную последовательность кодирующих элементов, построенных из рибонуклеотидов. Таким образом, информация, заложенная в молекуле ДНК, передается с помощью специального посредника матричной РНК (мРНК). Синтез м-РНК идет на одной из цепей молекулы ДНК, при этом механизм (т. е. на какой конкретно цепи будет считываться информация, закодированная в последовательности нуклеотидов) до конца не выяснен.

Синтез белков

Синтез белков на рибосомах называетсятрансляцией. м-РНК, несущая сведения о первичной структуре белковых молекул, проходит через поры ядерной оболочки и направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации.

Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью т-РНК. В клетке имеется столько же разных типов т-РНК, сколько типов кодонов (триплетов), шифрующих аминокислоты. В каждой молекуле т-РНК имеется последовательность из трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в м-РНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре т-РНК называется антикодоном. Специальный фермент «узнает» антикодон и присоединяет к т-РНК «свою» аминокислоту. В этом состоит первый этап синтеза.

На втором этапе синтезабелка т-РНК выполняет функцию переводчика с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней имеется два участка: на одном т-РНК получает команду от м-РНК - антикодон узнает кодон, на другом - выполняется приказ - аминокислота отрывается от т-РНК.

Третий этап синтезабелка заключается в том, что фермент синтетаза присоединяет оторвавшуюся от т-РНК аминокислоту к растущей белковой молекуле. м- РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном т-РНК, затем на второй участок. Сюда же переходит т-РНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от т-РНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Готовая цепь белка отходит от рибосомы.

Репликация, транскрипция и трансляция – три основополагающих процесса, на которых основана любая жизнедеятельность.

Итак, чтобы поддерживать жизнь, клетке необходимо иметь: вещество, из которого она строит собственные органеллы; энергию, чтобы это вещество использовать, и информацию, позволяющую воспроизводить себе подобных. Вещество и энергия поступают с белками; сохранение и передачу информации осуществляют НК.

Генетический код и его свойства

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в м-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в м-РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называют генетическим, его расшифровка - одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает м-РНК - копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК.

Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно было бы зашифровать лишь 4 аминокислоты, тогда как их 20 и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида).

В природе же существует трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью из 3 нуклеотидов, т. е. триплетом, который получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (4³ = 64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот.

Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.

Между генами имеются знаки препинания. Каждый ген кодирует одну белковую цепочку. Так как в ряде случаев м-РНК является копией нескольких генов и по ней последовательно создаются разные цепи, то они должны быть отделены друг от друга. Поэтому в генетическом коде существуют три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной белковой цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена. Внутри гена нет знаков препинания. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот.

Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица:

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от.

Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий, гриба, человека, краба, астры одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.