лекція 5. Генетичний код
Визначення поняття
Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках за допомогою послідовності розташування нуклеотидів у ДНК.
Оскільки ДНК безпосередньої участі у синтезі білка не приймає, код записується мовою РНК. У РНК замість тиміну входить урацил.
Властивості генетичного коду
1. Триплетність
Кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів.
Визначення: триплет або кодон - послідовність трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.
Код може бути моноплетним, оскільки 4 (кількість різних нуклеотидів в ДНК) менше 20. Код може бути дуплетним, т.к. 16 (кількість поєднань і перестановок з 4-х нуклеотидів по 2) менше 20. Код може бути триплетним, т.к. 64 (число поєднань та перестановок з 4-х по 3) більше 20.
2. Виродженість.
Усі амінокислоти, за винятком метіоніну та триптофану, кодуються більш ніж одним триплетом:
2 АК по 1 триплету = 2.
9 АК по 2 триплети = 18.
1 АК 3 триплет = 3.
5 АК по 4 триплети = 20.
3 АК по 6 триплетів = 18.
Усього 61 триплет кодує 20 амінокислот.
3. Наявність міжгенних розділових знаків.
Визначення:
Ген - це ділянка ДНК, що кодує один поліпептидний ланцюг або одну молекулу tPHK, rРНК абоsPHK.
ГениtPHK, rPHK, sPHKбілки не кодують.
В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х триплетів, що кодують термінуючі кодони РНК, або стоп-сигнали. У мРНК вони мають такий вигляд: UAA, UAG, UGA . Вони термінують (закінчують) трансляцію.
Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - Перший після лідерної послідовності. (Див. лекцію 8) Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріотів).
4. Однозначність.
Кожен триплет кодує лише одну амінокислоту чи є термінатором трансляції.
Виняток становить кодон AUG . У прокаріотів у першій позиції (заголовна літера) він кодує формилметіонін, а в будь-якій іншій - метіонін.
5. Компактність, або відсутність внутрішньогенних розділових знаків.
Усередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону.
У 1961 р. Сеймур Бензер і Френсіс Крик експериментально довели триплетність коду та його компактність.
Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду. Поодинока "+" або "-" мутація на початку гена псує весь ген. Подвійна "+" чи "-" мутація теж псує весь ген.
Потрійна "+" або "-" мутація на початку гена псує лише його частину. Четверна "+" або "-" мутація знову псує весь ген.
Експеримент доводить, що код тршплетен і всередині гена немає розділових знаків.Експеримент був проведений на двох поруч розташованих фагових генах і показав, крім того, наявність розділових знаків між генами.
6. Універсальність.
Генетичний код єдиний всім живих Землі істот.
У 1979 р. Беррел відкрив ідеальнийкод мітохондрій людини.
Визначення:
«Ідеальним» називається генетичний код, в якому виконується правило виродженості квазідублетного коду: Якщо у двох триплетах збігаються перші два нуклеотиди, а треті нуклеотиди відносяться до одного класу (обидва - пурини або обидва - піримідини), то ці триплети кодують одну і ту ж амінокислоту .
З цього правила в універсальному коді є два винятки. Обидва відхилення від ідеального коду в універсальному стосуються важливих моментів: початку та кінця синтезу білка:
Кодон | Універсальний код | Мітохондріальні коди |
|||
Хребетні | Безхребетні | Дріжджі | Рослини |
||
STOP | STOP |
||||
З UA | |||||
А G А | STOP | ||||
STOP | 230 замін не змінюють клас амінокислоти, що кодується. до ривання. У 1956 р. Георгій Гамов запропонував варіант коду, що перекривається. Згідно з Гамівським кодом, кожен нуклеотид, починаючи з третього в гені, входить до складу 3-х кодонів. Коли генетичний код було розшифровано, виявилося, що він неперекривається, тобто. кожен нуклеотид входить до складу лише одного кодону. Переваги генетичного коду, що перекривається: компактність, менша залежність структури білка від вставки або делеції нуклеотиду. Недолік: велика залежність структури білка від заміни нуклеотиду та обмеження на сусідів. У 1976 р. була секвенована ДНК фага Х174. У нього одноланцюжкова кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них було визначено гени, що розташовуються один за одним. З'ясувалося, що є перекривання. Ген Е повністю знаходиться всередині гена D . Його ініціюючий кодон з'являється в результаті зсуву на один нуклеотид. Ген J починається там, де закінчується ген D . Ініціювальний кодон гена J перекривається з термінуючим кодоном гена D в результаті зсуву на два нуклеотиди. Конструкція називається "зсув рамки зчитування" на число нуклеотидів, неразове трьом. На сьогоднішній день перекривання показане лише для кількох фагів. Інформаційна ємність ДНК На Землі мешкає 6 мільярдів людей. Спадкова інформація про них 4x10 13 книжкових сторінок. Ці сторінки зайняли б обсяг 6 будівель НГУ. 6x10 9 сперматозоїдів займають половину наперстка. Їхня ДНК займає менше чверті наперстка. | ||||
Генетичний код - це спосіб кодування послідовності амінокислот у молекулі білка за допомогою послідовності нуклеотидів у молекулі нуклеїнової кислоти. Властивості генетичного коду випливають із особливостей цього кодування.
Кожній амінокислоті білка зіставляється у відповідність три підряд нуклеотиду нуклеїнової кислоти, що йдуть. триплет, або кодон. Кожен із нуклеотидів може містити одну з чотирьох азотистих основ. У РНК це аденін(A), урацил(U), гуанін(G), цитозин(C). По-різному комбінуючи азотисті основи (в даному випадку містять нуклеотиди) можна отримати безліч різних триплетів: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC і т. д. Загальна кількість можливих комбінацій - 64, тобто 4 3 .
До складу білків живих організмів входить близько 20 амінокислот. Якби природа «задумала» кодувати кожну амінокислоту не трьома, а двома нуклеотидами, то розмаїття таких пар не вистачило б, оскільки їх виявилося лише 16, тобто. 4 2 .
Таким чином, основна властивість генетичного коду - його триплетність. Кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів.
Оскільки можливих різних триплетів істотно більше, ніж амінокислот, що використовуються в біологічних молекулах, то в живій природі було реалізовано таку властивість як надмірністьгенетичного коду. Багато амінокислот стали кодуватися не одним кодоном, а кількома. Наприклад, амінокислота гліцин кодується чотирма різними кодонами: GGU, GGC, GGA, GGG. Надмірність також називають виродженістю.
Відповідність між амінокислотами та кодонами відображають у вигляді таблиць. Наприклад, таких:
По відношенню до нуклеотидів генетичний код має таку властивість як однозначність(або специфічність): кожен кодон відповідає лише одній амінокислоті. Наприклад, кодоном GGU можна закодувати тільки гліцин і більше жодної іншої амінокислоти.
Ще раз. Надмірність - це про те, що кілька триплетів можуть кодувати ту саму амінокислоту. Специфіка - кожен конкретний кодон може кодувати лише одну амінокислоту.
У генетичному коді немає спеціальних розділових знаків (якщо не вважати стоп-кодонів, що позначають закінчення синтезу поліпептиду). Функцію розділових знаків виконують самі триплети - закінчення одного означає, що слідом почнеться інший. Звідси випливають такі дві властивості генетичного коду: безперервністьі неперекриваність. Під безперервність розуміють зчитування триплетів одразу один за одним. Під неперекривальністю - те, що кожен нуклеотид може входити до складу лише триплету. Так перший нуклеотид наступного триплету завжди стоїть після третього нуклеотиду попереднього триплету. Кодон не може розпочатися з другого чи третього нуклеотиду попереднього кодону. Іншими словами, код не перекривається.
Генетичний код має властивість універсальності. Він єдиний всім організмів Землі, що говорить про єдність походження життя. У цьому трапляються дуже рідкісні винятки. Наприклад, деякі триплети мітохондрій та хлоропластів кодують інші, а не звичайні для них амінокислоти. Це може говорити про те, що на зорі розвитку життя існували трохи різні варіації генетичного коду.
Нарешті, генетичний код має завадостійкістюяка є наслідком такої його властивості як надмірність. Точкові мутації, що іноді відбуваються в ДНК, зазвичай призводять до заміни однієї азотистої основи на іншу. При цьому змінюється триплет. Наприклад, було AAA, після мутації стало AAG. Однак подібні зміни не завжди призводять до зміни амінокислоти в поліпептиді, що синтезується, так як обидва триплети через властивості надмірності генетичного коду можуть відповідати одній амінокислоті. Враховуючи, що мутації найчастіше шкідливі, властивість завадостійкості корисна.
Раніше ми підкреслювали, що нуклеотиди мають важливу для формування життя на Землі особливість – за наявності в розчині одного полінуклеотидного ланцюжка спонтанно відбувається процес утворення другого (паралельного) ланцюжка на основі комплементарної сполуки споріднених нуклеотидів. Однакове число нуклеотидів, в обох ланцюжках та їх хімічна спорідненість, є неодмінною умовою для здійснення таких реакцій. Однак при синтезі білка, коли інформація з іРНК реалізується в структуру білка, ніякої мови про дотримання принципу комплементарності йти не може. Це з тим, що у иРНК, й у синтезованому білку по-різному як кількість мономерів, а й, що особливо важливо, відсутня структурне подібність з-поміж них (з одного боку нуклеотиди, з іншого амінокислоти). Зрозуміло, що в цьому випадку виникає необхідність створення нового принципу точного переведення інформації з полінуклеотиду до структури поліпептиду. В еволюції такий принцип було створено і в його основу було закладено генетичний код.
Генетичний код – це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів у ДНК або РНК, що утворюють кодони, що відповідають амінокислотам у білку.
Генетичний код має кілька властивостей.
Триплетність.
Виродженість чи надмірність.
Однозначність.
Полярність.
Неперекриваність.
Компактність.
Універсальність.
Слід зазначити, що деякі автори пропонують ще й інші властивості коду, пов'язані з хімічними особливостями нуклеотидів, що входять в код, або з частотою народження окремих амінокислот в білках організму і т.д. Однак ці властивості випливають із перелічених вище, тому там ми їх і розглянемо.
а. Триплетність. Генетичний код, як і багато складно організованих систем, має найменшу структурну і найменшу функціональну одиницю. Триплет – найменша структурна одиниця генетичного коду. Складається вона із трьох нуклеотидів. Кодон – найменша функціональна одиниця генетичного коду. Як правило, кодонами називають триплети іРНК. У генетичному коді кодон виконує кілька функцій. По-перше, головна його функція у тому, що він кодує одну амінокислоту. По-друге, кодон може не кодувати амінокислоту, але в цьому випадку він виконує іншу функцію (див. далі). Як видно з визначення, триплет – це поняття, яке характеризує елементарну структурну одиницюгенетичного коду (три нуклеотиди). Кодон – характеризує елементарну смислову одиницюгеному – три нуклеотиди визначають приєднання до поліпептидного ланцюжка однієї амінокислоти.
Елементарну структурну одиницю спочатку розшифрували теоретично, та був її існування підтвердили експериментально. 20 амінокислот неможливо закодувати одним або двома нуклеотидом т.к. останніх всього 4. Три нуклеотиди з чотирьох дають 4 3 = 64 варіанти, що з надлишком перекриває число амінокислот, що є в живих організмах (див.табл. 1).
Подані у таблиці 64 поєднання нуклеотидів мають дві особливості. По-перше, з 64 варіантів триплетів тільки 61 є кодонами і кодують якусь амінокислоту, їх називають смислові кодони. Три триплети не кодують
Таблиця 1.
Кодони інформаційної РНК та відповідні їм амінокислоти
|
О с н о в а н і я до д о н о в |
|||||
|
Нонсенс |
Нонсенс |
||||
|
Нонсенс | |||||
|
Міт |
|||||
|
Вал |
|||||
амінокислота є стоп-сигналами, що позначають кінець трансляції. Таких триплетів три – УАА, УАГ, УГА, їх ще називають "безглузді" (нонсенс кодони). В результаті мутації, яка пов'язана із заміною в триплеті одного нуклеотиду на інший, із смислового кодону може виникнути безглуздий кодон. Такий тип мутації називають нонсенс-мутація. Якщо такий стоп-сигнал сформувався всередині гена (у його інформаційній частині), то при синтезі білка в цьому місці процес буде постійно перериватись – синтезуватиметься лише перша (до стоп-сигналу) частина білка. У людини з такою патологією відчуватиметься нестача білка і виникнуть симптоми, пов'язані з цим браком. Наприклад, такого роду мутація виявлена в гені, що кодує бета-ланцюг гемоглобіну. Синтезується вкорочений неактивний ланцюг гемоглобіну, який швидко руйнується. В результаті формується молекула гемоглобіну, позбавлена бета-ланцюга. Зрозуміло, що така молекула навряд чи повноцінно виконуватиме свої обов'язки. Виникає важке захворювання, що розвивається на кшталт гемолітичної анемії (бета-нуль таласемія, від грецького слова «Таласа» - Середземне море, де ця хвороба вперше виявлена).
Механізм дії стоп-кодонів відрізняється від механізму дії смислових кодонів. Це випливає з того, що для всіх кодони, що кодують амінокислоти, знайдено відповідні тРНК. Для нонсенс-кодонів тРНК не знайдено. Отже, у процесі припинення синтезу білка тРНК не бере участі.
КодонАУГ (у бактерій іноді ГУГ) не тільки кодують амінокислоту метіонін та валін, але і єініціатором трансляції .
б. Виродженість чи надмірність.
61 з 64 триплетів кодують 20 амінокислот. Таке триразове перевищення числа триплетів над кількістю амінокислот дозволяє припустити, що у перенесенні інформації можуть бути використані два варіанти кодування. По-перше, не всі 64 кодони можуть бути задіяні в кодуванні 20 амінокислот, а тільки 20 і, по-друге, амінокислоти можуть кодуватися кількома кодонами. Дослідження показали, що природа використала останній варіант.
Його перевага очевидна. Якби з 64 варіанти триплетів у кодуванні амінокислот брало участь лише 20, то 44 триплети (з 64) залишалися б кодуючими, тобто. безглуздими (нонсенс-кодон). Раніше ми вказували, наскільки небезпечне для життєдіяльності клітини перетворення кодуючого триплету в результаті мутації в нонсенс-кодон - це суттєво порушує нормальну роботу РНК-полімерази, зумовлюючи зрештою розвиток захворювань. В даний час у нашому геномі три кодони є безглуздими, а тепер уявіть, що було б якщо число нонсенс-кодонів збільшиться приблизно в 15 разів. Зрозуміло, що в такій ситуації перехід нормальних кодонів у нонсенс-кодони буде набагато вище.
Код, у якому одна амінокислота кодується кількома триплетами, називається виродженим чи надлишковим. Майже кожну амінокислоту відповідає кілька кодонів. Так, амінокислота лейцин може кодуватися шістьма триплетами – УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валін кодується чотирма триплетами, фенілаланін - двома і тільки триптофан та метіонінкодуються одним кодоном. Властивість, яка пов'язана із записом однієї і тієї ж інформації різними символами носить назву виродженість.
Число кодонів, призначених для однієї амінокислоти, добре корелюється з частотою амінокислоти в білках.
І це, найімовірніше, не випадково. Чим більша частота амінокислоти в білку, тим частіше представлений кодон цієї амінокислоти в геномі, тим вище ймовірність його пошкодження мутагенними факторами. Тому зрозуміло, що мутований кодон має більше шансів кодувати тугіше амінокислоту при високій його виродженості. З цих позицій виродженість генетичного коду є механізмом, що захищає геном людини від пошкоджень.
Слід зазначити, що термін виродженість використовується в молекулярній генетики та в іншому сенсі. Так основна частина інформації в кодоні припадає на перші два нуклеотиди, основа в третьому положенні кодону виявляється малоістотною. Цей феномен називають “виродженістю третьої основи”. Остання особливість зводить до мінімуму ефект мутацій. Наприклад, відомо, що основною функцією еритроцитів крові є перенесення кисню від легень до тканин та вуглекислого газу від тканин до легень. Здійснює цю функцію дихальний пігмент – гемоглобін, який заповнює всю цитоплазму еритроциту. Складається він із білкової частини – глобіну, який кодується відповідним геном. Крім білка, в молекулу гемоглобіну входить гем, що містить залізо. Мутації у глобінових генах призводять до появи різних варіантів гемоглобінів. Найчастіше мутації пов'язані з заміною одного нуклеотиду на інший та появою в гені нового кодонуякий може кодувати нову амінокислоту в поліпептидному ланцюгу гемоглобіну У триплеті в результаті мутації може бути замінений будь-який нуклеотид - перший, другий або третій. Відомо кілька сотень мутацій, що стосуються цілісності генів глобіну. Біля 400 з них пов'язані із заміною одиничних нуклеотидів у гені та відповідною амінокислотною заміною в поліпептиді. З них тільки 100 замін призводять до нестабільності гемоглобіну та різноманітних захворювань від легень до дуже важких. 300 (приблизно 64%) мутацій-замін не впливають на функцію гемоглобіну та не призводять до патології. Однією з причин цього є згадана вище "виродженість третьої основи", коли заміна третього нуклеотиду в триплеті, що кодує серин, лейцин, пролін, аргінін і деякі інші амінокислоти призводить до появи кодона-синоніма, що кодує ту ж амінокислоту. Фенотипово така мутація не виявиться. На відміну від цього, будь-яка заміна першого або другого нуклеотиду в триплеті в 100% випадках призводить до появи нового варіанту гемоглобіну. Але й у разі важких фенотипічних порушень може й бути. Причиною цього є заміна амінокислоти в гемоглобіні на іншу подібну до першої за фізико-хімічними властивостями. Наприклад, якщо амінокислота, що має гідрофільні властивості, замінена на іншу амінокислоту, але з такими ж властивостями.
Гемоглобін складається із залізопорфіринової групи гему (до неї і приєднуються молекули кисню та вуглекислоти) та білка – глобіну. Гемоглобін дорослої людини (НвА) містить дві ідентичні -ланцюги та два -ланцюги. Молекула -ланцюга містить 141 амінокислотних залишків, -ланцюжок - 146, - І -ланцюги розрізняються за багатьма амінокислотними залишками. Амінокислотна послідовність кожного глобінового ланцюга кодується власним геном. Ген, що кодує -ланцюг розташовується в короткому плечі 16 хромосоми, -ген - у короткому плечі 11 хромосоми. Заміна в гені, що кодує -ланцюг гемоглобіну першого або другого нуклеотиду практично завжди призводить до появи у білка нових амінокислот, порушення функцій гемоглобіну та тяжких наслідків для хворого. Наприклад, заміна "Ц" в одному з триплетів ЦАУ (гістидин) на "У" - призведе до появи нового триплету УАУ, що кодує іншу амінокислоту - тирозин Фенотипово це проявиться у тяжкому захворюванні. Аналогічна заміна в 63 положенні -ланцюги поліпептиду гістидину на тирозин призведе до дестабілізації гемоглобіну Розвивається захворювання на метгемоглобінемію. Заміна внаслідок мутації глутамінової кислоти на валін у 6-му положенні -ланцюги є причиною найтяжчого захворювання - серповидно-клітинної анемії Не продовжуватимемо сумний список. Зазначимо лише, що з заміні перших двох нуклеотидів може з'явиться амінокислота по фізико-хімічним властивостям схожа колишню. Так, заміна 2-го нуклеотиду в одному з триплетів, що кодує глутамінову кислоту (ГАА) -ланцюга на "У" призводить до появи нового триплету (ГУА), що кодує валін, а заміна першого нуклеотиду на "А" формує триплет ААА, що кодує амінокислоту лізин. Глутамінова кислота та лізин подібні за фізико-хімічними властивостями – вони обидві гідрофільні. Валін – гідрофобна амінокислота. Тому, заміна гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофобний валін, значно змінює властивості гемоглобіну, що, зрештою, призводить до розвитку серповидноклітинної анемії, заміна ж гідрофільної глютамінової кислоти на гідрофільний лізин меншою мірою змінює функцію гемоглобіну - у хворих виникає легка форма. В результаті заміни третьої основи новий триплет може кодувати тугіше амінокислоти, що і колишньої. Наприклад, якщо в триплеті ЦАУ урацил був замінений на цитозин і виник триплет ЦАЦ, то ніяких фенотипічних змін у людини виявлено не буде. Це відомо, т.к. обидва триплети кодують одну й тугішу амінокислоту – гістидин.
Наприкінці доречно наголосити, що виродженість генетичного коду та виродженість третьої основи із загальнобіологічної позиції є захисними механізмами, які закладені в еволюції в унікальній структурі ДНК та РНК.
в. Однозначність.
Кожен триплет (крім безглуздих) кодує лише одну амінокислоту. Таким чином, у напрямку кодон – амінокислота генетичний код однозначний, у напрямку амінокислота – кодон – неоднозначний (вироджений).
Однозначний
Кодон амінокислота
Вироджений
І в цьому випадку необхідність однозначності у генетичному коді очевидна. При іншому варіанті при трансляції одного і того ж кодону в білковий ланцюжок вбудовувалися б різні амінокислоти і в результаті формувалися білків з різною первинною структурою та різною функцією. Метаболізм клітини перейшов у режим роботи «один ген – кілька поипептидов». Зрозуміло, що в такій ситуації регулююча функція генів була б повністю втрачена.
м. Полярність
Зчитування інформації з ДНК та з іРНК відбувається тільки в одному напрямку. Полярність має значення для визначення структур вищого порядку (вторинної, третинної і т.д.). Раніше ми говорили, що структури нижчого порядку визначають структури вищого порядку. Третинна структура та структури вищого порядку у білків, формуються відразу ж як тільки синтезований ланцюжок РНК відходить від молекули ДНК або ланцюжок поліпептиду відходить від рибосоми. У той час коли вільний кінець РНК або поліпептиду набуває третинної структури, інший кінець ланцюжка ще продовжує синтезуватися на ДНК (якщо транскрибується РНК) або рибосомі (якщо транскрибується поліпептид).
Тому односпрямований процес зчитування інформації (при синтезі РНК і білка) має істотне значення не тільки для визначення послідовності нуклеотидів або амінокислот у речовині, що синтезується, але для жорсткої детермінації вторинної, третинної і т.д. структур.
д. Неперекриваність.
Код може бути таким, що перекривається і не перекривається. У більшості організмів код не перекривається. Код, що перекривається, знайдений у деяких фагів.
Сутність коду, що не перекриває, полягає в тому, що нуклеотид одного кодону не може бути одночасно нуклеотидом іншого кодону. Якби код був перекриваючим, то послідовність із семи нуклеотидів (ГЦУГЦУГ) могла кодувати не дві амінокислоти (аланін-аланін) (рис.33,А) як у випадку з кодом, що не перекривається, а три (якщо загальним є один нуклеотид) (рис. 33, Б) або п'ять (якщо загальними є два нуклеотиди) (див. рис. 33, В). В останніх двох випадках мутація будь-якого нуклеотиду призвела б до порушення послідовності двох, трьох і т.д. амінокислот.
Однак встановлено, що мутація одного нуклеотиду завжди порушує включення до поліпептид однієї амінокислоти. Це істотний аргумент на користь того, що код є таким, що не перекривається.
Пояснимо це на малюнку 34. Жирними лініями показані триплети кодуючі амінокислоти у разі коду, що не перекривається і перекривається. Експерименти однозначно показали, що генетичний код є таким, що не перекривається. Не вдаючись до деталей експерименту відзначимо, що й замінити у послідовності нуклеотидів (див. рис.34) третій нуклеотидУ (відзначений зірочкою) на будь-якій іншій:
1. При коді, що не перекривається, контрольований цією послідовністю білок мав би заміну однієї (першої) амінокислоті (позначена зірочками).
2. При коді, що перекривається, у варіанті А відбулася б заміна в двох (першій і другій) амінокислотах (позначені зірочками). При варіанті Б заміна торкнулася б трьох амінокислот (позначені зірочками).
Однак численні досліди показали, що при порушенні одного нуклеотиду в ДНК, порушення в білку завжди стосуються тільки однієї амінокислоти, що характерно для коду, що не перекривається.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Аланін – Аланін Ала – Ціс – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей
А Б В
Код, що не перекривається Перекривається код
Мал. 34. Схема, що пояснює наявність у геномі коду, що не перекривається (пояснення в тексті).
Неперекриваність генетичного коду пов'язані з ще однією властивістю – зчитування інформації починається з певної точки – сигналу ініціації. Таким сигналом ініціації іРНК є кодон, що кодує метіонін АУГ.
Слід зазначити, що людина все-таки є невелика кількість генів, які відступають від загального правила і перекриваються.
е. Компактність.
Між кодонами немає розділових знаків. Іншими словами триплети не відокремлені один від одного, наприклад, одним нуклеотидом, що нічого не означає. Відсутність у генетичній коді «розділових знаків» було доведено в експериментах.
ж. Універсальність.
Код єдиний всім організмів що живуть Землі. Прямий доказ універсальності генетичного коду було отримано при порівнянні послідовностей ДНК з білковими послідовностями. Виявилося, що у всіх бактеріальних та еукаріотичних геномах використовуються одні й самі набори кодових значень. Є й винятки, але їх небагато.
Перші винятки з універсальності генетичного коду виявили в мітохондріях деяких видів тварин. Це стосувалося кодону термінатора УГА, який читався так само, як кодон УГГ, що кодує амінокислоту триптофан. Було знайдено й інші рідкісні відхилення від універсальності.
МОЗ. Генетичний код – це система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот, заснована на певному чергуванні послідовностей нуклеотидів у ДНК або РНК, що утворюють кодони,
відповідні амінокислотам у білку.Генетичний код має кілька властивостей.
Використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком нуклеотиду, що містить тімін, який замінений схожим нуклеотидом, що містить урацил, який позначається буквою (у російськомовній літературі). У молекулах ДНК та РНК нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних літер.
Білки практично всіх живих організмів побудовані з амінокислот лише 20 видів. Ці амінокислоти називають канонічними. Кожен білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот, з'єднаних у строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, отже всі його біологічні властивості.
Тим не менш, на початку 60-х років XX століття нові дані виявили неспроможність гіпотези "коду без ком". Тоді експерименти показали, що кодони, які вважалися Криком безглуздими, можуть провокувати білковий синтез у пробірці, і до 1965 року було встановлено зміст всіх 64 триплетів. Виявилося, що деякі кодони просто надмірні, тобто цілий ряд амінокислот кодується двома, чотирма або навіть шістьма триплетами.
Властивості
Таблиці відповідності кодонів мРНК та амінокислот
Генетичний код, загальний для більшості про- та еукаріотів. У таблиці наведено всі 64 кодони та зазначені відповідні амінокислоти. Порядок основ - від 5" до 3" кінцю мРНК.
| 1-е заснування |
2-а основа | 3-тє заснування |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||||||
| U | UUU | (Phe/F) Фенілаланін | UCU | (Ser/S) Серін | UAU | (Tyr/Y) Тирозин | UGU | (Cys/C) Цистеїн | U |
| UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
| UUA | (Leu/L) Лейцин | UCA | UAA | Стоп ( Охра) | UGA | Стоп ( Опал) | A | ||
| UUG | UCG | UAG | Стоп ( Бурштин) | UGG | (Trp/W) Триптофан | G | |||
| C | CUU | CCU | (Pro/P) Пролін | CAU | (His/H) Гістидин | CGU | (Arg/R) Аргінін | U | |
| CUC | CCC | CAC | CGC | C | |||||
| CUA | CCA | CAA | (Gln/Q) Глутамін | CGA | A | ||||
| CUG | CCG | CAG | CGG | G | |||||
| A | AUU | (Ile/I) Ізолейцин | ACU | (Thr/T) Треонін | AAU | (Asn/N) Аспарагін | AGU | (Ser/S) Серін | U |
| AUC | ACC | AAC | AGC | C | |||||
| AUA | ACA | AAA | (Lys/K) Лізін | AGA | (Arg/R) Аргінін | A | |||
| AUG | (Met/M) Метіонін | ACG | AAG | AGG | G | ||||
| G | GUU | (Val/V) Валін | GCU | (Ala/A) Аланін | GAU | (Asp/D) Аспарагінова кислота | GGU | (Gly/G) Гліцин | U |
| GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
| GUA | GCA | GAA | (Glu/E) Глутамінова кислота | GGA | A | ||||
| GUG | GCG | GAG | GGG | G | |||||
| Ala/A | GCU, GCC, GCA, GCG | Leu/L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
|---|---|---|---|
| Arg/R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys/K | AAA, AAG |
| Asn/N | AAU, AAC | Met/M | AUG |
| Asp/D | GAU, GAC | Phe/F | UUU, UUC |
| Cys/C | UGU, UGC | Pro/P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln/Q | CAA, CAG | Ser/S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Glu/E | GAA, GAG | Thr/T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly/G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp/W | UGG |
| His/H | CAU, CAC | Tyr/Y | UAU, UAC |
| Ile/I | AUU, AUC, AUA | Val/V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| START | AUG | STOP | UAG, UGA, UAA |
Варіації стандартного генетичного коду
Перший приклад відхилення від стандартного генетичного коду було відкрито 1979 року щодо генів мітохондрій людини. З того часу було знайдено кілька подібних варіантів, включаючи різноманітні альтернативні мітохондріальні коди, наприклад, прочитування стоп-кодону УГА як кодон, що визначає триптофан у мікоплазм. У бактерій та архей ГУГ та УУГ часто використовуються як стартові кодони. У деяких випадках гени починають кодувати білок зі старт-кодону, який відрізняється від зазвичай використовуваного даним видом.
У деяких білках нестандартні амінокислоти, такі як селеноцистеїн і піролізин, вставляються рибосомою, що прочитує стоп-кодон, що залежить від послідовностей мРНК. Селеноцистеїн зараз розглядається як 21-й, а піролізин 22-й з амінокислот, що входять до складу білків.
Незважаючи на ці винятки, у всіх живих організмів генетичний код має загальні риси: кодони складаються з трьох нуклеотидів, де два перші є визначальними, кодони транслюються тРНК та рибосомами у послідовність амінокислот.
| приклад | Кодон | Звичайне значення | Читається як: |
|---|---|---|---|
| Деякі види дріжджів роду Candida | CUG | Лейцин | Серін |
| Мітохондрії, зокрема у Saccharomyces cerevisiae | CU(U, C, A, G) | Лейцин | Серін |
| Мітохондрії вищих рослин | CGG | Аргінін | Триптофан |
| Мітохондрії (у всіх без винятку досліджених організмів) | UGA | Стоп | Триптофан |
| Ядерний геном інфузорії Euplotes | UGA | Стоп | Цистеїн або селеноцистеїн |
| Мітохондрії ссавців, дрозофіли, S. cerevisiaeта багатьох найпростіших | AUA | Ізолейцин | Метіонін = Старт |
| Прокаріоти | GUG | Валін | Старт |
| Еукаріоти (рідко) | CUG | Лейцин | Старт |
| Еукаріоти (рідко) | GUG | Валін | Старт |
| Прокаріоти (рідко) | UUG | Лейцин | Старт |
| Еукаріоти (рідко) | ACG | Треонін | Старт |
| Мітохондрії ссавців | AGC, AGU | Серін | Стоп |
| Мітохондрії дрозофіли | AGA | Аргінін | Стоп |
| Мітохондрії ссавців | AG(A, G) | Аргінін | Стоп |
Еволюція
Вважається, що код триплетний склався досить рано в ході еволюції життя. Але існування відмінностей у деяких організмах, що виникли різних еволюційних стадіях, свідчить про те, що він був який завжди таким.
Згідно з деякими моделями, спочатку код існував у примітивному вигляді, коли мале число кодонів позначало порівняно невелику кількість амінокислот. Більш точне значення кодонів і більше амінокислот могли бути введені пізніше. Спочатку лише перші дві з трьох підстав могли бути використані для впізнавання [що залежить від структури тРНК].
- Льюїн Б.Гени. М.: 1987. C. 62.
Див. також
Примітки
- Sanger F. (1952). "The arrangement of amino acids in proteins". Adv. Protein Chem. 7 : 1-67. PMID.
- Ічас М.Біологічний код - М.: Світ, 1971.
- Watson J. D., Crick F. H. (April 1953). “Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid”. Nature. 171 : 737-738. PMID. довідка)
- Watson J. D., Crick F. H. (May 1953). “Генетичні наслідки структури деоксірибонуклеїчного оксиду”. Nature. 171 : 964-967. PMID. Використовується застарілий параметр | month = (довідка)
- Crick F. H. (April 1966). "The genetic code - yesterday, today, and tomorrow". Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol.: 1-9. PMID. Використовується застарілий параметр | month = (довідка)
- Gamow G. (February 1954). "можливий відношення між деоксірибонуклеїчним оксидом і proteínовими структурами". Nature. 173 : 318. DOI :10.1038/173318a0. PMID. Використовується застарілий параметр | month = (довідка)
- Gamow G., Rich A., Ycas M. (1956). “The problemat of information transfer from the nucleic acids to proteins”. Adv. Bio.l Med. Phys. 4 : 23-68. PMID.
- Gamow G, Ycas M. (1955). “Statistical correlation of protein and ribonucleic acid composition” . Proc. Natl. Acad. SCI. U. S. A. 41 : 1011-1019. PMID.
- Crick F. H., Griffith J. S., Orgel L. E. (1957).
Це спосіб, за допомогою якого інформація про послідовність двадцяти амінокислот закодована за допомогою послідовності чотирьох нуклеотидів.
Властивості генкоду
1) Триплетність
Одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами. У ДНК вони називаються триплет, іРНК - кодон, в тРНК - антикодон. Усього існує 64 триплет, 61 з них кодує амінокислоти, а 3 є стоп-сигналами - показують рибосоме місце, в якому треба припинити синтез білка.
2) Виродженість (надмірність)
Кодонів, що кодують амінокислоти, існує 61, а амінокислот лише 20, тому більшість амінокислот кодуються кількома кодонами. Наприклад, амінокислота аланін кодується чотирма кодонами - ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ. Виняток – метіонін, він кодується одним кодоном АУГ – у еукаріотів це старт-кодон при трансляції.
3) Однозначність
Кожен кодон кодує лише одну амінокислоту. Наприклад, кодон ГЦУ кодує лише одну амінокислоту - аланін.
4) Безперервність
Між окремими триплетами немає ніяких роздільників («розділових знаків»). Через це при випаданні або вставці одного нуклеотиду відбувається «зсув рамки зчитування»: починаючи з місця мутації, зчитування триплетного коду порушується, синтезується зовсім інший білок.
5) Універсальність
Генетичний код однаковий всім живих організмів Землі.
