Лісова генетика. Навчальний посібник. Г.Г. Баранецький, Р.М. Гречаник. 2003 р.
  • Регистрация
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

5.4. Генетичний код

Взаємовідносини між генетичною інформацією, яку приносить в рибосоми молекула і-РНК і амінокислотами, які вносяться в рибосому т-РНК, стали зрозумілими після вивчення суті генетичного коду.

Будь-які відмінності у структурному і кількісному складах білків змінюють їхні властивості, тому одне з головних питань спадковості полягає у виясненні того, як генетична інформація, записана у хімічній структурі молекул ДНК, передається в процесі біосинтезу специфічних білків, яким чином вона перетворюється у всі речові і функціональні ознаки і властивості, якими визначаються особливості наступних поколінь клітин і організмів. Проблема взаємовідношення білків і нуклеїнових кислот - центральна у вченні про спадковість. Білки – біологічні полімери. Їхні макромолекули складаються всього з 20 мономерів-амінокислот. Амінокислоти можуть входити у молекули білків у неоднакових кількостях, по-різному в них з'єднуватися і чергуватися між собою і по-різному розташовуватись у просторі. Таким чином, незважаючи на велику різноманітність білків, вони відрізняються один від одного у своїй первинній структурі тільки порядком розташування амінокислот. 20 амінокислот можуть утворити 1024 комбінацій. Оскільки будь-які відмінності в ознаках зводяться до відмінностей у білках, то зрозуміло, що така кількість білків створює практично нескінченну різноманітність ознак і властивостей організмів. Вона може забезпечити продовження еволюції життя на Землі не менше ніж до 10 млрд. років. Відмінності хоча б в одній амінокислоті достатньо, щоб змінити властивість білка, а отже, і ознаку організму. Наприклад, заміна у білковій молекулі гемоглобіну, яка складається приблизно із 600 амінокислот, однієї електрично зарядженої глутамінової кислоти на електрично нейтральну амінокислоту валін веде до важкого малокрів'я - хвороби, що дістала назву серповидно-клітинної анемії. Червоні кров'яні тільця (еритроцити) у таких хворих набувають форми півмісяця, втрачають електричний заряд і не здатні тому зв'язувати молекули кисню. Діти, хворі на серповидно-клітинну анемію, вмирають у ранньому віці. Подібні хвороби, що виникають у результаті мутацій, які зачіпають молекулярну будову білків, називаються молекулярними хворобами.

Яким чином молекулярна будова ДНК визначає біосинтез різних білків? ДНК такий самий полімер, як і білок. Ланцюг ДНК також побудований із мономерних ланок, що чергуються. Але якщо у білків їх 20, то у ДНК – всього 4. Якщо відомі нам нуклеотиди А, Г, Ц, Т, оскільки вуглевод і фосфорна кислота в усіх нуклеотидах однакові, різняться між собою тільки азотистими основами, то відмінності між ДНК зводяться лише до порядку розміщення азотистих основ. Їхня послідовність у молекулі ДНК визначає послідовність амінокислот у молекулі білка. Отже, форми і функції усіх організмів, їхні індивідуальні і видові відмінності визначаються комбінацією чотирьох азотистих основ молекули ДНК. Послідовність розташування азотистих основ у ДНК, що визначає розміщення амінокислот у синтезованому білку, називається генетичним кодом, або кодом спадковості.

Ідея генетичного коду допускає порівняння азотистих основ, що входять у ДНК, з буквами алфавіту (за аналогією між записом і передачею будь-яких слів та наявних у них відомостей (інформації) через різне поєднання букв) і визначенням, "записом" структури і функцій білкових молекул шляхом різного поєднання чотирьох азотистих основ у молекулі ДНК. Саме у цьому розумінні говорять, що спадкова інформація "записана" у молекулах ДНК.

Оскільки одна і та сама спадкова інформація "записана" в нуклеїнових кислотах чотирма знаками (азотистими основами), а в білках - двадцятьма знаками (амінокислотами), проблема генетичного коду зводиться до встановлення відповідності між ними. Робота по розшифруванню генетичного коду вимагала прикладення зусиль вчених різних спеціальностей: генетиків, фізиків, хіміків, математиків.

Особливо значну роль у вирішенні цієї проблеми зіграли дослідження фізика Г. Гамова і генетика Ф. Кріка - одного з авторів моделі будови молекули ДНК. Згідно Г. Гамову, генетичний код характеризується тим, що:

А) три послідовні пари нуклеотидів ДНК кодують одну амінокислоту;

Б) кожна нуклеотидна пара може брати участь в кодуванні трьох амінокислот, значить код перекривається;

В) декілька триплетів можуть кодувати одну амінокислоту – код містить синоніми.

Для розшифрування генетичного коду насамперед необхідно було вияснити, яке мінімальне число нуклеотидів може визначати (кодувати) утворення однієї амінокислоти. Якщо б кожна із 20 амінокислот кодувалась одною основою, то ДНК повинна була б мати 20 різних основ, фактично ж їх тільки 4. Очевидно, поєднання двох нуклеотидів також недостатньо для кодування 20 амінокислот. Воно може кодувати лише 16 амінокислот (42=16 поєднань). Поєднання ж з 3 нуклеотидів дає 64 комбінації (43=64 поєднання) і, отже, здатне кодувати більше ніж достатнє число амінокислот для утворення будь-яких білків. Таке поєднання трьох нуклеотидів називається триплетним кодом. У триплетному коді амінокислоти кодуються трійками основ (наприклад, УУУ, ЦГЦ, АЦА і т. д.). Ділянка ланцюга ДНК із трьох нуклеотидів, який визначає включення у білкову молекулу строго певної амінокислоти, називається кодоном.

Після теоретичного обґрунтування принципу будови генетичного коду необхідно було експериментальним шляхом встановити, які конкретні триплети кодують кожну із 20 амінокислот. Початок вирішення цього складного завдання було покладено у дослідах американських біохіміків М. Ніренберга та Дж. Маттеї. У 1961 р. на V Міжнародному біохімічному конгресі М. Ніренберг доповів про відкриття триплету, який кодує синтез амінокислоти фенілаланіну. Ніренберг і Маттеї використали у своїх дослідах найпростішу РНК - поліуридилову кислоту. Ця синтетична РНК побудована тільки з уридилових нуклеотидів:

image001

Поліуридилову кислоту добавляли в якості матриці у виділений із клітин організмів розчин, що містив рибосоми. Осад, що при цьому випав, виявився білком. Але це був незвичайний білок - поліфенілаланін. Хімічний аналіз показав, що в білковий поліпептидний ланцюг поліфенілаланіну зв'язувались молекули тільки однієї єдиної амінокислоти - фенілаланіну. У розчині були всі 20 амінокислот, але поліуридилова РНК вибрала тільки фенілаланін. Якщо виходити з цього, то амінокислотний код - триплетний, таким кодом для фенілаланіну, очевидно, є триплет, до складу якого входять три уридилові кислоти. Таким чином було експериментально доведено, що дійсно, молекула РНК, яка складалася з триплетів урацилу (УУУ), кодує амінокислоту фенілаланін. Триплет УУУ був першим знаком генетичного коду, який вдалося розшифрувати. Потім було проведено багато дослідів, коли у безклітинну систему добавлялись інші синтетичні РНК і робився аналіз одержаних результатів. При добавлянні поліцитидилової РНК синтезувалась амінокислота пролін. Її кодоном виявився триплет ЦЦЦ. Якщо брали поліуридилову кислоту і добавляли поліаденіл (полі-А), то отримували білок, який складався головним чином із фенілаланіну, та в нього входив ще й ізолейцин. За співвідношенням полі-У та полі-А був встановлений код для ізолейцину – УУА. Так, послідовно комбінуючи в синтетичних РНК по три основи з чотирьох, у лабораторіях М. Ніренберга та С. Очоа в 1962 р. був розшифрований склад нуклеотидних триплетів для всіх 20 амінокислот, що входять до складу білкових молекул.

Уявлення про триплетний код було підтверджено багаточисельними біохімічними і прямими генетичними експериментами, обґрунтованими на порівняльному аналізі мутацій. Отже, код триплетний, тобто визначення послідовності амінокислот у молекулі білка визначається шляхом специфічного поєднання трійок нуклеотидів у ланцюгу ДНК. Коли були розшифровані триплети для всіх амінокислот, що входять у молекули білка, виявилося, що більшість з них кодується не одним, а двома, трьома, навіть чотирма різними триплетами. Наприклад, метіонін кодується одним триплетом (АУГ), лізин –двома (ААА і ААГ), ізолейцин - трьома (АУУ, АУЦ, АУА), серин – чотирма триплетами (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ). У зв'язку з цим говорять про виродженість коду і код називають виродженим. Під виродженістю коду розуміють можливість включення в білкову молекулу однієї амінокислоти декількома триплетами. Триплети не перекривають один одного, один триплет не може входити до складу інших, кожний з них самостійно кодує свою амінокислоту. Тому в поліпептидному ланцюгу поряд можуть знаходитися будь-які дві амінокислоти і можливі які завгодно їх поєднання. Код не має "розділових знаків". На відміну від писемного коду, це, як кажуть, код без коми. Триплети нічим не розділені між собою. Списування коду відбувається лінійно, починаючи з якоїсь певно фіксованої в ланцюгу ДНК точки (початку гена), і йде тільки в одному напрямі.

Кінцевий результат роботи по розшифровці коду представлений в табл. 5.1. Принцип побудови цієї таблиці, значення якої для біології можна порівняти із значенням періодичної системи елементів для хімії, був запропонований Кріком. Кожна з 20 амінокислот представлена в таблиці трьохбуквенним скороченням. Триплет нуклеотидів, який відповідає певній амінокислоті, можна знайти таким чином. Перша основа кодону позначається великою буквою зліва, яка відповідає горизонтальному ряду з чотирьох рядків. Друга основа позначається великою буквою середніх розмірів, яка стоїть у верхньому ряді таблиці над вертикальним рядом, що відповідає 16 кодонам. Пересічення горизонтального і вертикального рядів дає квадрат, який включає чотири кодони, які містять однакові першу і другу основи. Третя основа кодону позначається справа, яка відповідає одному з чотирьох рядків горизонтального ряду.

Таблиця 5.1

Таблиця генетичного коду

Основа кодонів

Перша

позиція

Друга

позиція

Третя позиція

У

Ц

А

Г

У

У

Ц

А

Г

Фен

Сер

Тир

Цис

Фен

Сер

Тир

Цис

Лей

Сер

Нонсенс

Нонсенс

Лей

Сер

Нонсенс

Тре

Ц

У

Ц

А

Г

Лей

Про

Гс

Арг

Лей

Про

Гіс

Арг

Лей

Про

Глу NH2

Арг

Лей

Про

Глу NH2

Арг

А

У
Ц
А
Г

Ілей

Тре

Асп

Сер

Ілей

Тре

Асп

Сер

Ілей

Тре

Ліз

Арг

Мет

Тре

Ліз

Арг

Г

У
Ц
А
Г

Вал

Ала

Асп

Глі

Вал

Ала

Асп

Глі

Вал

Ала

Глу

Глі

Вал

Ала

Глу

Глі

У 1976 р. група спеціалістів під керівництвом Ф.Сенджер повідомила про відкриття генів в ДНК бактеріофагу Х174, а в 1978 р. при визначенні послідовності нуклеотидів ДНК фага G4 виявлено потрійне перекриття генів.

 

Генетичний код - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить