Генетический код
Генетический код (англ. Genetic code) — это последовательность триплетов нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, которые определяют соответствующий порядок аминокислот в структуре белка. Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из четырёх азотистых оснований — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т), которые в русскоязычной литературе именуются по первым буквам — А, Г, Ц и Т. Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) имеет те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён на нуклеотид — урацил (U или У). Нуклеотиды выстраиваются в цепочки, которые и образуют последовательность генетических букв[1].
Таким образом, при биосинтезе белка, триплетные кодоны матричной, или информационной, РНК соответствуют аминокислотам кодируемого белка, которое задается таблицей.
Генетический код един в основном для большинства живых организмов, обитающих на Земле. Это свидетельствует о том, что все живые организмы имеют общего предка. Однако, существуют более десятка вариантов генетического кода (отличающиеся некоторыми деталями схемы кодирования), использующихся отдельными специфическими группами организмов или органоидами клетки, самым распространённым таким вариантом является митохондриальный[2] генетический код.
История открытия
.jpg)
21 февраля 1953 года молодыми учеными Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была открыта спиральная структура молекулы ДНК, состоящая из двух полипептидных цепей, соединённых друг с другом водородными связями.
В 1954 году советский и американский физик Георгий Гамов впервые заявил о важной для молекулярной биологии проблеме определения генетического года. В дальнейшем учёные выяснили как именно последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет аминокислотную последовательность белков[3]. Из модели ДНК Уотсона и Крика происходил вывод о линейной структуре молекулы нуклеиновой кислоты, которая записывалась 4 видами нуклеотидов. Кодируемые белки также имели первичную линейную структуру, которая записывалась текстом из 20 природных аминокислот. Проведя несложный подсчёт, Гамов сделал вывод, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 (43) различные комбинации, чего вполне достаточно для «записи наследственной информации», и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых учёных доживёт до его расшифровки».
В 1961 году триплетная структура была подтверждена в ходе экспериментов. Маршал Ниренберг и Генрих Маттеи смогли установить, что кодон УУУ (по матрице РНК) кодирует аминокислоту фенилаланин.
Далее, Роберт Холли установил структуру транспортной РНК (тРНК), которая служит посредником при трансляции[4].
Свойства генетического кода
Триплетность
Каждая из аминокислот кодируется последовательностью из трех нуклеотидов.
Код не может быть моноплетным, так как 4 нуклеотида в ДНК могут кодировать меньше 20 аминокислот. Код не может быть дуплетным, так как 16 сочетаний нуклеотидов также меньше 20 основных аминокислот. Код может быть минимально триплетным, так как 64 сочетаний нуклеотидов кодируют уже больше 20 аминокислот[5].
| Первый нуклеотид | Второй нуклеотид | Третий нуклеотид | |||
|---|---|---|---|---|---|
| У | Ц | А | Г | ||
| У | ФЕН | СЕР | ТИР | ЦИС | У |
| ФЕН | СЕР | ТИР | ЦИС | Ц | |
| ЛЕЙ | СЕР | СТОП | СТОП | А | |
| ЛЕЙ | СЕР | СТОП | ТРИ | Г | |
| Ц | ЛЕЙ | ПРО | ГИС | АРГ | У |
| ЛЕЙ | ПРО | ГИС | АРГ | Ц | |
| ЛЕЙ | ПРО | ГЛН | АРГ | А | |
| ЛЕЙ (МЕТ)* | ПРО | ГЛН | АРГ | Г | |
| А | ИЛЕ | ТРЕ | АСН | СЕР | У |
| ИЛЕ | ТРЕ | АСН | СЕР | Ц | |
| ИЛЕ | ТРЕ | ЛИЗ | АРГ | А | |
| МЕТ (СТАРТ) | ТРЕ | ЛИЗ | АРГ | Г | |
| Г | ВАЛ | АЛА | АСП | ГЛИ | У |
| ВАЛ | АЛА | АСП | ГЛИ | Ц | |
| ВАЛ | АЛА | ГЛУ | ГЛИ | А | |
| ВАЛ (МЕТ)* | АЛА | ГЛУ | ГЛИ | Г | |
ФЕН — фенилаланин, ЛЕЙ — лейцин, ИЛЕ — изолейцин, МЕТ — метионин, ВАЛ — валин, СЕР — серин, ПРО — пролин, ТРЕ — треонин, АЛА — аланин, ТИР — тирозин, ГИС — гистидин, ГЛН — глутамин, АСН — аспаргин, ЛИЗ — лизин, АСП — аспаргиновая кислота, ГЛУ — глутаминовая кислота, ЦИС — цистеин, ТРИ — триптофан, АРГ — аргинин, ГЛИ — глицин
* АУГ — наиболее универсальный (хотя, в общем и не единственный) код инициации; ГУГ обычно кодирует валин, а ГУЦ — лейцин, но изредка (в различных вариантах генетического кода) эти кодоны могут кодировать метионин для инициации белковой цепи.
Вырожденность
64 возможных кодона потенциально могут кодировать 61 аминокислоту, а 3 являются стоп-кодонами. Многие аминокислоты кодируются более, чем одни кодоном. Метионин и триптофан имеют единственный кодон, тогда как лейцин, серин, аргинин — кодираются шестью кодонами каждый. Различные кодоны для одной и той же аминокислоты называют синонимичными кодонами.
Код называют вырожденным, так как одной и той же аминокислоте могут соответствовать несколько кодонов, за исключением метионина и триптофана.
Две аминокислоты кодируются одним триплетом: 2×1=2
Девять аминокислот кодируются двумя триплетами: 9×2=18
Одна аминокислота кодируется тремя триплетами: 1×3=3
Пять аминокислот кодируется четырьмя триплетами 5×4=20
Три аминокислоты кодируются шестью триплетами 6×6=18
Всего 2+18+3+20+18=61 триплет кодирует 20 аминокислот [4].
Однозначность
Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. Исключение составляет кодон АУГ. У прокариот в первой позиции он кодирует формилметионин, а в любой другой — метионин[6].
Универсальность
Генетический код является универсальным для всех живых организмов, что свидетельствует о единстве происхождения[6]. Однако, существуют более десятка вариантов генетического кода (отличающиеся некоторыми деталями схемы кодирования), использующихся отдельными специфическими группами организмов или органоидами клетки, самым распространённым таким вариантом является митохондриальный генетический код[2]. Эти отличия чрезвычайно интересны, поскольку они позволяют понять, каким образом происходит эволюция генетического кода.
Компактность
Внутри гена отсутствуют знаки препинания, каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона, а у прокариот, в результате альтернативного положения рамки считывания (которая может сдвигаться на 1-2 нуклеотида), возможно использование одного и того же кодона для кодирования до трёх продуктов. .
Наличие межгенных знаков препинания
Ген — это участок молекулы ДНК, который кодирует одну первичную полипептидную цепь. Эта цепь в общем случае может разрезаться на ряд более коротких зрелых полипептидных цепей. В конце каждого гена находятся терминирующие, или стоп-кодоны: УАА, УАГ, УГА. Они не кодируют аминокислоты, а терминируют трансляцию[7].
Неперекрываемость
У эукариот один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов[8]. Однако это общее правило зачастую нарушается у ряда прокариот и в особенности в геноме вирусов.
Помехоустойчивость
Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене химического класса кодируемой аминокислоты , называют консервативными, а мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене химического класса кодируемой аминокислоты (сильно меняющие её гидрофильно-гидрофобные и иные химические свойства) — радикальными. Для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть вариативным. Следовательно, замена нуклеотида в третьем положении, часто не приводит к значительным изменениям результирующей полипептидной последовательности. Такие замены называются синонимичными.
В каждом триплете теоретически возможны 9 однонуклеотидных (точечных) замен. Общее количество возможных замен нуклеотидов: 61 по 9 = 549.
Из 549 теоретически возможных типов замен нуклеотидов:
134 замены не меняют кодируемую аминокислоту, это так называемые синонимичные мутации. Остальные 415 мутаций приводят к изменению смысла кодонов, их называют миссенс-мутации.
23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов — терминаторов трансляции. Такие мутации называют нонсенс-мутации.
230 замен не меняют химический класс кодируемой аминокислоты.
162 замены приводят к смене химического класса аминокислоты, то есть являются радикальными.
Из 183 замен первого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 — консервативны, а 60 — радикальны.
Из 183 замен второго нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 — консервативны, а 102 — радикальны.
Из 183 замен третьего нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 — консервативны.
Таким образом, общее число консервативных замен: 176+114+74=364, общее число радикальных замен: 102+60=162[1].
| Мутации | Нонсенс | Консервативные | Радикальные |
|---|---|---|---|
| Из 183 замен 3-го нуклеотида | 7 | 176 | 0 |
| Из 183 замен 2-го нуклеотида | 7 | 74 | 102 |
| Из 183 замен 1-го нуклеотида | 9 | 114 | 60 |
| Всего 549 замен | 23 | 364 | 162 |
Показателем помехоустойчивости генетического кода называется отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен: 364 / 162 = 2,25.
Таким образом, генетический код обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к миссенс-мутациям — мутациям, изменяющим смысл кодонов. При этом наиболее четко проявляются те миссенс-мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные, и наоборот[1].
Рамка считывания
Три последовательных кодона называются рамкой считывания (reading frame). В связи с тем, что генетический код триплетен, число возможных рамок считывания с каждой цепи ДНК равняется трём (первая, вторая и третья), в зависимости от того, какой именно нуклеотид будет считываться первым. Для начала трансляции необходимо наличие стартового или инициаторного кодона (АУГ, ГУГ, УУГ). После его считывания трансляция идёт путём последовательного считывания кодонов с матричной РНК и присоединения рибосомой аминокислот друг к другу с формированием полипептидной цепи. Чтение происходит триплет за триплетом без перекрывания до стоп-кодона, который завершает синтез путём обрыва полипептидной цепи [6].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Огурцов А.Н. Молекулярная биология клетки. Основные молекулярные генетические механизмы: Конспект лекций. — Харьков: НТУ "ХПИ", 2007. — 120 с.
- ↑ 2,0 2,1 Jukes, T.H., Osawa, S. The genetic code in mitochondria and chloroplasts (англ.) // Experientia. — 1990. — Vol. 46. — P. 1117–1126. — doi:10.1007/BF01936921.
- ↑ С. М. Мамедова. К 50-летию открытия структуры ДНК // Биомедицина (Баку). — 2003. — № 1.
- ↑ 4,0 4,1 Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. М75 и доп. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1994. — 517 с.
- ↑ Лобачев Ю.В. Генетика: краткий курс лекций для студентов 2 курса направления подготовки 35.03.04 «Агрономия». — Саратов: ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016. — 85 с.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам: Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 142 с.
- ↑ Курчанов Н. А. Генетика человека с основами общей генетики : руководство для самоподготовки. — СПб.: СпецЛит, 2010. — 63 с.
- ↑ Коничев А.С. Молекулярная биология: Учеб. для студ. пед. вузов. — М.: Издательский центр "Академия", 2005. — 400 с.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!