Кодирование и реализация днк в клетке. Сравнение днк и рнк. Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

Никитин А.В.

Проблемы понимания системы кодирования ДНК

Да, надо признать, что я оказался неправ. Волнует биологов кодирование информации ДНК. Даже очень. И технократический подход к этой проблеме есть. Может быть не совсем такой, как хотелось мне, но … есть заинтересованность в нахождении истины. И это главное.

Петр Петрович Гаряев прислал мне свою последнюю монографию для изучения и понимания, за что ему отдельная благодарность.

Но, вместе с новой информацией возникли и новые вопросы. О некоторых из них я и попробую рассказать в этой статье.

Два пишем, один - в уме…

Нечеткое следование триплетам при трансляции белка мы уже отмечали . Тот же вопрос исследует и П.П.Гаряев. Вот фиксируется видимое противоречие:

«Точность кодирования последовательностей аминокислот белков в этой модели странным образом уживается с двойной вырожденностью предлагаемого “кода” по линиям избытка транспортных РНК (тРНК) по сравнению с числом аминокислот и неоднозначного соответствия кодон-антикодон, когда только двум (а не трем) нуклеотидам триплетов иРНК необходимо точное спаривание c антикодоновой парой нуклеотидов тРНК, а по третьему нуклеотиду природой допускается неверное спаривание, так называемое “воблирование” (от англ. слова “wobble”- качание) по гипотезе Ф.Крика . Это означает, что некоторые антикодоны могут “узнавать” более одного кодона в зависимости от того, какое основание находится в 1-м положении антикодона, соответствующем 3-му положению нуклеотида с учетом их антипараллельного комплементарного взаимодействия. “Узнавание” такого рода “неправильное”, если следовать парадигме генетического кода, поскольку возникают неканонические пары оснований “Аденин-Гуанин”, “Урацил-Цитозин” и другие с энергетически невыгодными водородными связями. “Код”, особенно митохондриальный, становится настолько вырожденным, и логически следующий отсюда произвол включения аминокислот в пептидную цепь столь велик, что как бы исчезает само понятие генетического кодирования».

Вопрос поставлен:

«Точность белкового синтеза эволюционно консервативна и высока, но может ли она достигаться такого рода “тайнописью”, когда “знак” (кодон) и “обозначаемое” (аминокислота) не всегда изоморфны, не однозначны? Если придерживаться старой догмы генетического кода, логично думать, что две разные аминокислоты, шифруемые двумя одинаковыми (третий не важен) нуклеотидами кодонов иРНК, будут с равной вероятностью включаться в пептидную цепь, т.е. случайно. И таких парных неоднозначностей даже в немитохондриальном коде насчитывается шесть, если не считать еще две по стоповым кодонам (они же “нонсенс” или бессмысленные). Так что же, существует “индульгенция разрешения” частых и случайных замен аминокислот при синтезе белков? Однако, известно, что такие случайные замены в большинстве случаев имеют самые отрицательные последствия для организма (серповидная анемия, талассемии и т.д.). Налицо явное противоречие: нужна точность (однозначность) отношений “знак-обозначаемое” (кодон-аминокислота), а придуманный людьми код ее не обеспечивает».

Объяснения сути противоречий и предложенного варианта решения:

«Видно, что пары разных аминокислот шифруются одинаковыми значимыми дублетами кодоновых нуклеотидов (“воблирующие” мало значимые, по Крику , и вообще нечитаемые, по Лагерквисту , нуклеотиды смещены в индекс). В терминах лингвистики это явление носит название омонимия, когда одни и те же слова имеют разный смысл (например, русские слова “лук”, “коса” или английские “box”, “ring” и т.п.). С другой стороны, избыточные различающиеся кодоны, обозначающие одни и те же аминокислоты, уже давно рассматривают как синонимичные».

«…Для большей иллюстративности мы приводим таблицу генетического кода, представленную Лагерквистом и перегруппированную им по кодоновым семействам с ориентировкой на первые два рабочих нуклеотида:

Из Табл.1. видно, что одна и та же аминокислота может кодироваться четверками кодоновых семейств. Например, четверка CU-семейства кодирует лейцин. Четверка GU-семейства кодирует валин, UC – серин, CC – пролин, AC – триптофан, GC – аланин, CG –аргинин, GG – глицин. Это лежащий на поверхности, и сразу замеченный, факт вырожденности, т.е. информационной избыточности кода. Если взять взаймы понятия и термины лингвистики для белкового кода, что давно, повсеместно и с легкостью принято, то вырожденность кода можно понимать как синонимию. Это также единогласно принято. Иначе говоря, один и тот же объект, например, аминокислота, имеет несколько шифров - кодонов. Синонимия не таит в себе никаких опасностей для точности биосинтеза белков. Наоборот, такая избыточность хороша, поскольку повышает надежность работы трансляционной рибосомной «машины»».

Я внес небольшое цветовое разнообразие в таблицу, чтобы было видно то, о чем мы говорим. Синонимические четверки выделены желтым цветом. Всего таких четверок – 8. Омонимические четверки пришлось разделить на три категории, по степени разнообразия. Далее:

«… Однако на Табл.1 видно и другое, фундаментальное, генолингвистическое явление, как бы не замечаемое или игнорируемое. Это явление обнаруживается в том, что в некоторых кодоновых семействах четверки кодонов, точнее, их значащие одинаковые двойки нуклеотидов шифруют не одну, а две различные аминокислоты, а также стоп-кодоны. Так, дублетное UU-семейство кодирует фенилаланин и лейцин, AU – изолейцин и метионин, UA – тирозин, Och и Amb стоп-кодоны, CA – гистидин и глицин, AA – аспарагин и лизин, GA – аспарагиновую и глутаминовую, UG – цистеин, триптофан и Umb стоп-кодон, AG – серин и аргинин. Продолжая лингвистические аналогии, назовем это явление ОМОНИМИЕЙ первых двух кодирующих нуклеотидов в некоторых кодоновых семействах.

В отличие от синонимии, омонимия потенциально опасна, что и отметил Лагерквист, хотя и не ввел термин-понятие «омонимии» в применении к белковому коду. Такая ситуация, вроде бы, действительно должна вести к неоднозначности кодирования аминокислот и стоп-сигналов: один и тот же кодоновый дублет, в пределах некоторых выделенных Лагерквистом семейств, кодирует две разных аминокислоты или является «разностоповым».

Принципиально важно понять: если синонимия кода - это благо (избыток информации), то омонимия - потенциальное зло (неопределенность, неоднозначность информации). Но это мнимое зло, поскольку белок синтезирующий аппарат легко обходит эту трудность, о чем речь пойдет ниже. Если же автоматически следовать таблице (модели) генетического кода, тогда зло становится не мнимым, но реальным. И тогда очевидно, что омонимический вектор кода ведет к ошибкам в синтезе белков, поскольку рибосомный белоксинтезирующий аппарат, каждый раз встречаясь с тем или иным омонимичным дублетом и руководствуясь правилом чтения «два из трех», должен выбрать одну и только одну аминокислоту из двух различных, но кодируемых неоднозначно тождественными дублетами-омонимами.

Следовательно, связки 3’- нуклеотиды в кодонах и спаривающиеся с ними 5’- нуклеотиды в антикодонах, не имеют гено-знакового характера и играют роль «стерических костылей», заполняющих «пустые места» в кодон-антикодоновых парах. Короче говоря, 5’- нуклеотидs в антикодонах случайны, «воблируют» - от английского ‘wobble’ (качание, колебание, виляние). Вот суть Вобл-гипотезы».

Суть изложена вполне четко. Перевод не требуется. Проблема понятна.

Cтоп-кодоны и старт-кодон, они в таблице выделены жирным шрифтом, тоже работают не всегда однозначно, а в зависимости от чего-то…, как полагают биологи, от контекста.

«Продолжим анализ основополагающей работы Крика и Ниренберга, постулирующей понятие генетического кода.

С.142 -143: “ ... до сих пор все опытные данные хорошо согласовывались с общим предположением о том, что информация считывается тройками оснований, начиная с одного конца гена. Однако, мы получили бы те же результаты, если бы информация считывалась группами в четыре или даже более оснований” или “...группами, содержащими кратное трем число оснований”. Это положение почти забыто или не понято, но именно здесь видно сомнение, обязательно ли код триплетный. И не менее важно, что предугадано будущее понимание текстов ДНК и РНК как смысловых фрактальных образований, родственных естественным языкам, что продемонстрировано в наших исследованиях ».

При 4 разных основаниях системы кодов ДНК группы считывания могут быть только по 3 или по 4 основания. 4 основания при парном чтении дают только 16 возможных комбинаций. Не хватает. А вот сколько: 3 или 4 основания в группе считывания, математически установить невозможно. Потому, что так или иначе использованы будут все возможные комбинации. Или 64 при триплете, или 256 при тетраплете.

При увеличении зоны считывания кода «группами, содержащими кратное трем число оснований» количество возможных комбинаций кода будет нарастать неограниченно. Только что это нам дает? Если ориентироваться на кодирование аминокислот, то… ничего. А с дублетным подходом биологов это и вообще никак не совмещается.

Но, главное, в этой цитате впервые, хоть и неявно появилась «зона считывания» информации, не соответствующая триплету. Триплет – одно, а зона считывания – другое. И одно может не совпадать с другим. Очень важное замечание.

По сути дела, теория «качания» предлагает считать зоной считывания кодона только первые два основания. Т.е. в данном случае предлагается признать, что зона считывания меньше зоны кодирования.

Теперь рассмотрим и обратный подход:

«Некоторые мРНК содержат сигналы на изменение рамки считывания. Некоторые мРНК содержат в транслируемой области терминирующие кодоны, но эти кодоны успешно обходятся за счет изменения рамки считывания перед ними или непосредственно на них. Рамка может сдвигаться на -1, +1 и + 2. Существуют специальные сигналы в мРНК, изменяющие рамку считывания. Так, сдвиг рамки трансляции на -1 на РНК ретровируса происходит на специфической гептануклеотидной последовательности перед шпилечной структурой в мРНК (рис. 5, в). Для сдвига рамки на +1 на мРНК бактериального фактора терминацинации RF-2 важны нуклеотидная последовательность на месте сдвига (кодон UGA), последующий кодон, а также предшествующая им последовательность, комплементарная к 3"-концевой последовательности рибосомной РНК (аналог последовательности Шайна-Дальгарно) (рис. 5, г)». .

Цитата уже приводилась ранее , но теперь посмотрим на её содержание более внимательно. Что понимается под термином – рамка считывания? Это понятие из седой старины вычислительной техники, когда зона считывания информации с перфоленты или перфокарты ограничивалась непрозрачной рамкой, чтобы уменьшить опасность ошибки при считывании информации световым потоком на фотоприемник через отверстия в карте или ленте, выбитые в нужных местах строки разметки. Принцип считывания давно ушел, а термин остался. Так как понятие рамки считывания понятно всем биологам, то видимо оно означает зону считывания только одного основания из триплета. И под «сдвигом рамки считывания» надо понимать, что при +1, читается основание, следующее за последним элементом триплета, а -1, что считывается основание перед первым элементом все того же триплета. Какая пара оснований при этом остается основой в считываемом триплете? Это не уточняется…

Но, похоже, не все понимают рамку считывания, как в данном случае. Если под понятием рамки считывания понимать рамку, ограничивающую 3 основания, то при сдвиге +2 от читаемого триплета остается 1 элемент, а два – из соседнего.

Так о какой рамке считывания все же идет речь? Ну, да, ладно, пусть пока остается неясность…

Но в любом случае, потом эти основания, уже считанные рамкой снова будут читаться, когда рамка вернется на место и рибосома перейдет к чтению следующего триплета…, а как же неперекрываемость кода?

В данном случае, механистический подход биологов к оценке изменения позиций считывания триплета не учитывает реальный размер того, о чем они говорят. Терминология явно вводит в заблуждение. Как они сами в этом потом разбираются – непонятно. Очевидно, что никакая «рамка» никуда не двигается…

Двигается выборка нужных позиций в зоне считывания. И если сложить максимальные приведенные в выше сдвиги «рамки» считывания с длиной читаемого кодона, то получим: 2+3+2 = 7. Таким образом, общая ширина зоны считывания рибосомы составляет уже 7 оснований. Рибосома выбирает триплет из 7 возможных оснований. Как? Это уже другой вопрос…

Но нам важнее другое. Теперь можно реально оценить, что зона считывания информации с РНК может быть больше триплета и составлять 7 и более оснований, при этом, как необходимые позиции считывания, фиксируются только три основания. А что такое, остальные позиции? Возможно, тот самый «контекст», который и меняет варианты считывания триплета. Омонемические, по терминологии П.П.Гаряева.

Конечно, это только один из множества частных случаев понимания многостороннего понятия контекста. Но …, по крайней мере, он позволяет понять кое-что, не прибегая к высшим философским обобщениям. На вполне реальном уровне механистического понимания.

Об алфавите клеточных текстов.

Вопрос, конечно, интересный…

О понимании оснований ДНК, как букв какого-то клеточного алфавита принято биологами на вооружение давно. Отсюда и возникновение понятия смыслового контекста в оценке триплетного кодирования, и поиск осмысленного подхода клетки к этому кодированию, и постепенный переход к Высшему Разуму, написавшему эту книгу Жизни…

Только вот, с точным указанием букв этого алфавита все время возникают разногласия. Что принимать за буквы? Основания (А,Т,С,G), кодоны, составленные из них, или аминокислоты в составе получаемого при трансляции белка?

Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов – 64, что взять за основу?

О необходимости лингвистической оценки последовательностей ДНК, РНК и белковых молекул говорят все, независимо от понимания букв клеточного алфавита. Подходить к информации ДНК, как к смысловому тексту с пониманием контекста применимого для литературной оценки, так требуют понимать биологи. Таким образом, предполагается, что исследуемый язык обладает всеми атрибутами развитого литературного языка и нужен соответствующий подход к оценке его многосмысловой информативности.

Прекрасно. И все же, буквы – где? Чем написан этот литературный текст, требующий такого пристального внимания лингвистов? Пока в рамках того же механистического подхода…

Основания или нуклеотиды? Похоже – нет. С этим соглашается основная масса биологов. Маловато 4-х оснований для создания литературного текста. Да еще при наличии непрерывности последовательности на всем протяжении ДНК.

С кодоном, как буквой этого алфавита трудности возникают сразу. Где он, этот кодон, на ДНК и РНК, как его найти? Это может сделать только рибосома, и то, только при непосредственном контакте. Да и что это за составные буквы такие, из триплетов? Сложно понять. Тем не менее, у этого понимания кодонов, как букв клеточного алфавита, сторонников достаточно.

Принять за буквы алфавита аминокислоты? Да, с этим согласно большинство. Но, тогда Книгой Жизни становится белок, а не ДНК. В белке смысловой контекст есть, а в ДНК, получается, может и не быть? Или будет, но другой, отличный от белкового…

И потому, требование оценки и ДНК, и белка с позиций смыслового контекста есть, а уточнения, что и как все же надо оценивать – нет.

П.П.Гаряев в этой ситуации предложил, в том числе и лингвистически, оценивать не ДНК и белок, а их голографические объемные «портреты». Очень сильная позиция, надо признать. И очень продуктивная…

Но вот с алфавитом клетки при механистическом, привычном уже подходе, тогда совсем непонятно. Есть он, или его нет совсем, и это понятие только аллегория?

Биологи уточнений не дают. Но упорно продолжают применять это понятие. Каждый - в своем понимании…

Об исходной системе кодирования.

Именно об исходной, которая была, возможно, на этапе разделения клеток на прокариоты и эукариоты. Сейчас она скрыта многочисленными наложениями и отклонениями и у тех, и у других. Миллионы лет эволюции бесследно не прошли.

И все же…

Не всегда ДНК была хранилищем информации, раньше эту роль могла исполнять РНК. Она вполне заменяла и белок на каком-то этапе. Об этом говорят многочисленные исследования. И оснований ДНК и РНК не всегда было 4, но мы сейчас не об этом…

Но на каком-то этапе развития появилась система кодирования информации, тогда вполне удовлетворяющая всем требованиям информационной и логической структуры управления процессами клетки.

Та самая классика, на которую все указывают, и тут же начинают опровергать…

Информационный массив – ДНК, РНК. Последовательность, состоящая из комбинации 4 нуклеотидов: A,T(U),C,G.

Шаг считывания информации – 1 нуклеотид.

Метод считывания информации – последовательный.

Объем разового считывания – триплет.

Ни одна логическая система считать не умеет. Но, вот считать до одного она в состоянии. Это дальше уже - много. И различать разные единицы в двух соседних парах – тоже. И если ось симметрии вещественная, то определять логические состояния соседних позиций относительно такой оси, она вполне в состоянии. Но, вот дальше увеличивать зону чтения без счета на том этапе видимо было очень трудно.

И потому, на том этапе – триплет, это максимально возможная форма единицы информации системы. Разряд на оси симметрии, разряд справа и разряд – слева.

Три разных единицы учета… даже для шагового чтения… это много.

В системе кодирования информации ДНК и РНК применено 4 возможных логических состояния, триплетное считывание. Сложность для клетки – предельная.

Как доказать триплетность кода? Это я уже показывал и не раз. Напишем еще раз: Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов или триплетов – 64.

Математика простая: 64/3 = 21

Такое количество неперекрываемых триплетов возможно получить при шаге фиксации через одно основание. Это 20 триплетов для аминокислот и один СТОП-кодон.

С другой стороны: 4 3 = 64, это те же 21х3=63, это 60 комбинаций триплетов, 3 стоп кодона и старт-кодон, замыкает вариационное множество. Это просто математика, но... она показывает, что первоначально, действительно считывались три подряд основания - кодон при шаге в 1 основание. Это и обусловило применяемое количество аминокислот - 20. Таким образом, все же - триплет.

В этом случае понятна вырожденность кода аминокислоты в триплете. Она возникла от перекрываемости кода.

Мы неверно понимаем появление вырожденности кодонов. Это не расширение возможностей системы в кодировании информации, а «ошибки её прошлого». Это отголосок исходной системы кодирования…

Информация на тему:

«С.153: “ ... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов”.

Конечно, для кодирования любой аминокислоты в основаниях ДНК достаточно одного кодового триплета. Тем более, при неперекрываемом кодировании. Повторяй один кодон сколько угодно раз, и получай столько молекул нужной аминокислоты в белке. Легко, просто, понятно, и энергозатраты минимальны.

Вырожденность кода триплета – вынужденная мера, впрямую связанная с первоначальным способом считывания кода. Так уж получилось в ходе эволюции.

Механизм появления вырожденности кода выглядит вот так:

При шаге считывания триплетов в 1 основание за каждый шаг меняется только один знак триплета, а два знака триплета остаются постоянными. Только синхронно сдвигается их позиции. При двух шагах неизменной остается информация только одного знака триплета, но она проходит последовательно по всем позициям отображения.

Зачем нам это?

При 3 кодирующих знаках на каждом шаге повторяются 2 знака. И лишь один изменяется. На следующем шаге изменится и второй знак. И один знак останется неизменным на пройденном пути. Полная смена знаков наступит только после третьего шага. Только теперь новая комбинация триплета не будет иметь влияния от предыдущих сочетаний.

При триплетном шаге каждый новый триплет в формировании не зависит от предыдущего, но… такой шаг для такой считывающей системы тогда был невозможен.

И формируемые триплеты ДНК оказывались при чтении зависимыми друг от друга.

Такое плавное перетекание одного триплета в другой приводит к ограничению возможности быстрого использования всех перестановок в триплете. Для возможного использования всех 64 вариантов триплета необходимо 64*3 = 192 единичных шага считывания триплетов ДНК. И наоборот, из 64 шагов считывания возможных комбинаций при последовательном шаговом чтении всех кодонов, от первой до 64-ой, будет 42 повтора, а уникальных будет не более 1/3 = 21 комбинация. И еще 1/3….

Вот и ответ, почему аминокислот только 20. Можно было бы и больше, да система кодирования и считывания информации не позволяет.

Вот и стала клетка использовать дополнительные коды из имеющихся 42 повторов. Иначе она и не могла, потому, что пробелы в трансляции недопустимы. Есть код - любой, и рибосома должна выполнить операцию трансляции. Переходные варианты от одного независимого кода триплета к другому стали быстро заниматься теми же 20-ю аминокислотами, но уже в зависимости от частоты применения. Для одной -6 кодов, а другой и одного хватает. Мы это и регистрируем, как вырожденность кода.

Понятно, что при использовании зависимых кодонов должна была расширяться и база транспортных тРНК. Так и произошло. При полномасштабной системе количество кодонов иРНК должно соответствовать количеству антикодонов на тРНК. Так что, большое количество тРНК говорит только о том, что система изначально формировалась именно таким способом.

Как мы видим, первоначальная или исходная система кодирования на этапе появления 4 нуклеотидов в ДНК хорошо просматривается. Далее уже пошли наслоения поздних эволюционных процессов. И сегодня мы имеем…то, что имеем.

Начальные основные коды аминокислот.

С другой стороны, если следовать по этому пути, то из 64 возможных можно выбрать какие-то 21 комбинаций и применить, как основные. Но, какие?

Как клетка могла выбирать? Самый простой ответ – по максимальной симметрии триплета.

Применим принцип симметричности в поиске нужных сочетаний и проверим, насколько мы правильно поняли путь природного кодирования аминокислот в ДНК. Для этого соберем все варианты симметричных кодов в таблицу 2. Отличный результат…, 15 из 16 возможных аминокислот получили симметричные коды.

Но, осталось еще 5 аминокислот и СТОП.

Видимо Природа шла тем же путем, … и споткнулась на том же месте. Все симметричные варианты использованы, запаса для расширения системы нет, а кодов не хватает. Какой следующий вариант применила она для продолжения поиска кодов?

Теперь повторы и один добавочный элемент…

Есть. CAA, AAC, UGG, и вот он основной Стоп-кодон – UAA.

Осталось найти еще два кодона…

GAC и AUG. Последний и стал Старт-кодоном…

И общее количество основных сочетаний используемых в ДНК и РНК стало – 21. Таблица 2 отражает путь поиска основных кодовых обозначений.

Но и тут эволюционная логика развития показывает интересный пример. До конца и сразу использованы только полные симметрии. Остальные варианты использованы не сразу и не полностью. Например, для аминокислоты Gly использован основной кодон GGG, а потом добавлен GGU, из неиспользованного резерва…

Созданные резервы кодирования работали до последнего. Сегодня все резервы давно использованы и пришло время совмещения функций, где это возможно. Например, для Старт-кодона. Начался поиск новых путей в расширении возможностей триплетного кодирования. аминокислот в РНК. Вот примерно так, возможно, шел отбор основных кодов. По симметрии и простейшим перестановкам…

Таблица 2

Логика действий понятна. Возможно, мы ошиблись в последовательности действий, но это пока не так важно. Конечно, это только мои вариации на тему, профессионалам, наверное, виднее, так или не так всё было в действительности, но все же, … получилось интересно.

Не сходятся концы с концами…

Странно, … симметричные коды можно использовать только при триплетном считывании, без перекрытия. Этот момент заставляет еще раз присмотреться к приведенной выше математике получения 20 аминокислот для использования в триплетном кодировании. Явно, одно не соответствует другому.

Математика показывает объективную реальность поэлементного движения рибосомы по РНК. Но и такое широкое использование симметрий в кодировании аминокислот так же не может быть случайным, и указывает на триплеты независимого считывания.

Возможно, что поэлементное считывание информации РНК существовало до триплетного кодирования и какое-то время вместе с появлением триплетов. Оно и определило количество применяемых аминокислот.

Но на каком-то этапе произошел скачок в развитии. Система кодирования была полностью пересмотрена. Триплетное независимое считывание заставило заново провести кодирование используемых аминокислот по признакам симметрии. Но эволюция не умеет отбрасывать старые варианты…

Дополнительные коды уже есть, пришлось их перераспределить по аминокислотам в зависимости от частоты их применения.

И сложилась парадоксальная картина. Считывание, вроде бы, неперекрываемое, и для кодирования аминокислоты достаточно одного кодона, а использованными оказались все 64 варианта. Потенциальная избыточность кодирования перекрыта вырожденностью кодов. Расчетный запас есть, а фактически – нет. Как это получилось, мы уже увидели.

Скорее всего, фактором пересмотра системы стало быстрое развитие клеточных рибосом. В конечном итоге они определяют всю систему кодирования и её применение в клеточном организме.

Можно предположить, что зона считывания информации у рибосомы давно превысила три знака и вышла далеко за эти пределы. Появилась возможность выбора и запоминания информации нужного кодона внутри большой зоны считывания информации. Это позволило оставить рибосоме поэлементный шаг, но была реализована и возможность триплетного считывания в независимом режиме. У рибосомы где-то появилась оперативная память.

Зона считывания информации для рибосомы даже у прокариотов, как мы видим, достигла 7 нуклеотидов. И это не предел. Если принять за основу, что рибосомы имеют два центра трансляции или считывания информации , то их суммарная зона считывания информации одной рибосомой достигла уже и 14 нуклеотидов. Какие-то участки кодов принимаются за триплеты, а остальное составляет контекст…

А сейчас…

А сейчас всё совсем запуталось. По информации биологов счет идет в триплетах, правда никто не объясняет, как это происходит. Ближайший контекст не учитывается. Сопоставление кодовой последовательности РНК и получаемого по ней белка представляет собой очень трудную задачу, и четко понять, как изменилась система и что учитывается при трансляции – пока видимо невозможно.

Мало того, биологи основное внимание уделяют не систематизации, а нахождению отклонений от системы, тем самым увеличивая и без того обширное разнообразие фактов, и сами себе создают головоломную задачку-нерешайку. Неразбериху дополняет полное смешение разнообразных отклонений в механизмах считывании триплетов прокариотов и эукариотов в один большой кроссворд…, где они и сами уже, похоже, запутались.

Почему? У них задачи другие. Они работают с биологическими объектами, так, как принято в их науке. Потому и выводы по вопросам кодирования РНК нашли отражение в теории «качания», а не в системе принципов считывания информации и теории кодирования. Их можно понять, но выход надо находить…

Предложенный самими биологами технократический подход к проблеме понимания кодирования ДНК еще далеко не исчерпал свои возможности. По сути, пока он толком и не применялся. Использовалась только терминология, но не подход.

Возможно, настало время применения машинного анализа последовательностей ДНК с учетом расширенной зоны считывания информации по отношению к триплету кодирования. Тогда станет понятен механизм действия ближайшего к триплету считывания контекста кодирования, а возможно, и элементов программирования процесса трансляции белка, запоминаемых рибосомой. Особенно важен такой анализ для исследования нетранслируемых областей РНК и ДНК. Так как уже понятно, что это программные элементы системы кодирования. От них зависят все процессы, в том числе и трансляция белка. Название «мусор» к ним явно никак не походит…

Да и не может быть «мусора» в массивах стратегически важной информации, хранящихся в ДНК. Этого никакая информационная система себе позволить не может.

Сегодняшний уровень развития вычислительной техники вполне позволяет решать эти задачи. Построить систему информационного управления в клеточной структуре, уточнить каналы связей, установить ключевые элементы управления и систему сигналов. Тогда будет понятен хоть примерный уровень технической сложности этой системы управления. Пока понятно только одно, что ключевую роль в ней исполняет рибосома, но насколько технически сложен это универсальный клеточный автомат? Как на её фоне выглядит техническая сложность остальных исполнительных механизмов клетки?

Ответов я пока не нашел…

Литература:

Гаряев П.П. Тертышный Г.Г. Леонова Е.А. Мологин А.В. Волновые биокомпьютерные функции ДНК. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157645&s
Никитин А.В., Считывание и обработка информации ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16147, 08.11.2010

Никитин А.В., Проблемы понимания системы кодирования ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16181, 27.11.2010

Генетич код- система записи в молекулах ДНК генетич информ о строении белковой молекулы. Белок состоит из аминокис-т, кот всего 20. АК в белк молекуле расположены в линейном порядке,подобно нуклеотидам в молекуле ДНК. Последовательность АК в белке опр-ся последов-тью нуклеотидов в молекуле ДНК,его ген кодом. Свойства кода 1) Триплетность – Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Триплет нуклеотидов наз-ся кодоном. 2)Неперекрываемость – триплеты следуют один за другом. Каждый нуклеотид в ходит в состав только одного кодона. Триплеты не накладываются друг на друга. 2) Однонаправленность - Считывания генитической информации происходит по 3 нуклеотидам в одном направление, без каких либо вставок между нуклеотидами. 4) Выражденность(изыточность) – 1 наличие избыточных триплетов, необходимых для кодирования аминокислот. 2 Наличие «Нонсенс» кодонов УАА УАГ УГА-кодоны терминации, АУГ и ГУГ кодоны инициации. 5) Универсальность – у всех живых организмов одни и теже аминокислоты кодируются одинаковыми триплетами. 6) специфичность. Нет случаев когда один и тот де кодон соответствовал бы неск АК.

16. Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.

Синтез белка включает несколько этапов:

1. Претранскрипционный. Это стартовый этап синтеза, во время которого происходит активация молекулы ДНК с помощью специальных белков.

2. Транскрипционный-синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК с последовательностью нуклеотидов комплементарной молекуле ДНК.

3.Транспортный охватывает период между транскрипцией и трансляцией. Над анном этапе происходит процессинг, т.е. созревание И-РНК. Суть его-удаление интронов (неинформ участки). Экзаоны (триплеты,несущие информ об АК) сохр и соед-ся в единую цепь с помощью ферментов лигаз. Указанное явление наз-ся сплайсинг. Прошедшая сплайсинг и-РНК переносится из ядра в цитоплазму с помощью белков-переносчиков.

4. Трансляцией наз-ся синтез полипептидной цепи из АК согласно кодирующей и-РНК. В ходе трансл происх перевод генетич информ в аминокислотную последовательность: ДНК, и-РНК, белок. Здесь выд-ся следующие этапы: инициация, элонгация, терминация.

инициация - узнавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза.

элонгация - собственно синтез белка.

терминация - узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

17.Трансляцией наз-ся синтез полипептидной цепи из АК согласно кодирующей и-РНК. В ходе трансл происх перевод генетич информ в аминокислотную последовательность: ДНК, и-РНК, белок. Трансляйия я вляется очень важной частью общего метаболизма клетки.В ней задействованы не менее 20 ферментов(аминоацилсинтетаз), до 60 различных т-РНК, 3-5 молекул р-РНК и макромолекулы и-РНК. Здесь выд-ся следующие этапы: инициация, элонгация, терминация.

Инициация- начало трансляции. Происходит образование цельной ри-босомы, присоединение мРНК и установление первой аминокислоты. В процессе трансляции рибосомы находятся в “собранном” состоянии. В цельной рибосоме выделяют участок присоединения тРНК, “нагруженной” аминокислотой (то есть аминоацил-тРНК) - акцепторный (А-сайт) и участок удержания тРНК с растущей полипептидной цепью - пеп-тидильный (Р-сайт) (в молекулярной биологии выражение “участок цепи” часто заменяют термином “сайт”). Во время инициации (при участии трех вспомогательных белковых факторов) происходит связывание мРНК с малой субъединицей рибосомы, затем к первому кодону своим антикодоном присоединяется “груженая” (несущая аминокислоту) тРНК, а после этого к образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы.

2. Элонгация. Ко второму кодону (в А-сайт рибосомы) присоединяется еще одна аминоацил-тРНК. Между карбоксильной группой (-СООН) первой аминокислоты и аминогруппой (-NH,) второй образуется пеп-тидная связь. После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и “повисает” на соединенной с ней аминокислоте второй тРНК. Пустая первая тРНК освобождается из комплекса с рибосо-мой, и Р-сайт становится незанятым. Рибосома “делает шаг” вдоль мРНК. При этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт. “Шаг” рибосомы всегда строго определен и равен трем нук-леотидам (кодону). Движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией. Как репликация и транскрипция, транслокация всегда осуществляется в 5" - 3" направлении мРНК.

3. Терминация. Синтез полипептидной цепи идет до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех стоп-кодонов. В этот момент белковая цепь отделяется, а рибосома диссоциирует на субъединицы. Практически все белки по окончании своего синтеза подвергаются созреванию или процессингу - реакциям посттрансляционных модификаций. После этого они (в основном по “трубопроводу” эндоплазматической сети) транспортируются к месту своего назначения.

Посттрансляция. Происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

18. Для каждого организма характерен свой собственный набор белков, выполняющих необходимые функции и обеспечивающих формирование всех признаков организма. Синтез белка или реализация генетической информации происходит в каждой живой клетке в соответствии с ее генетической программой, записанной с помощью генетического кода в молекулах нуклеиновых кислот. Синтез белка представляет собой сложный, многоступенчатый процесс образования белковой молекулы (полимера) из аминокислот (мономеров), который невозможен без участия нуклеиновых кислот, большого количества ферментов, энергии (АТФ), рибосом, аминокислот и ионов Mg2+. Ген имеет прерывистую структуру. Кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интроны. Ген у эукариоических организмов имеет экзонно-интронную структуру. Длина интрона больше длины экзона. В процессе процессинга интроны «вырезаются» - сплайсинг. После образования зрелой и-РНК после взаимодействия с особым белком переходит в систему – информосому, которая несет информацию в цитоплазму. Сейчас экзоно-интронные системы хорошо изучены (например, онкоген - Р-53). Иногда интроны одного гена являются экзонами другого, тогда сплайсинг невозможен.

Процесинг. Молекулярные механизмы, связанные с "созреванием" разных типов РНК, называются процесингом. Они осуществляются в ядре перед выходом РНК из ядра в цитоплазму.

В процессе "созревания" иРНК специальные ферменты вырезают интроны и сшивают активные участки, которые остались (экзоны). Этот процесс называется сплайсингом. Поэтому последовательность нуклеотидов в созревшей ИРНК не является целиком комплементарной нуклеотидам ДНК. В ИРНК рядом могут стоять такие нуклеотиди, комплементарные которым нуклеотиди в ДНК находятся один от другого на значительном расстоянии.

Сплайсинг - очень точный процесс. Его нарушения изменяет рамку считывания при трансляции, которая приводит к синтезу другого пептида. Точность вырезания интронов обеспечивается распознаванием ферментов определенных сигнальных последовательностей нуклеотидов в молекуле про-иРНК.

19 . В каждый момент в клетке работает 20% генов, а не все. В первые механизм включения и выключения генов изучили на бактерии кишечной палочке Жакоб и Моно. В 1966г они сформулировали гипотезу автоматической регуляции синтеза белков по пронципу обратной связи. В эксперименте они доказал, что в прокариотической клетке происходит автоматическая регуляция работы генов и синтеза белков. Схема Жакоба – Моно. Согласно их гипотезы считывание информации со структурных генов происходит блоками, т.е единицей транскрипции явл блок оперон. В его состав входят несколько структурных генов, который участвует в первом каскаде реакций. В их главе стоит участок ДНК оператор, отделяющий от структурных генов промотор, к кот прикрепляется в процессе транскрипции полимеразы. В клетке еще есть регуляторные гены, находятся вне оперона, которые контролирует синтез белка-репрессора. У него роль включения и выключения генов, связываясь с оператором оперона. Свободный белок-репрессор блокирует оператор, препяствую прохождения полимеразы к структурным генам. Репрессию с оператора снимает индуктор, которым служит метаболит, поступивший в клетку (не любой, а тот, для расщепления которого нужны ферменты, закодированные данным опероном). Метаболит притягивает на себя белок-репрессор, образуя с ним не активный комплекс. В результате снимается блокада с оператора и открывается путь для полимеразы.

Георгиев 1972г. – регуляции транскрипции у эукариот. Единица

транскрипции - транскриптон, состоящий из неинформативной (акцепторной)

и информативной (структурной) зон.

Неинформативная зона: промотор, инициатор, гены-операторы.

Информативная зона: структурный ген, имеющий мозаичную экзон-

интронную структуру. Экзоны – последовательности ДНК, содержащие информацию о структуре полипептида, и интроны – вставки из неинформативных участков ДНК. Заканчивается транскриптон терминатором.

Регуляция транскрипции у эукариот принципиально такая же, как и у

прокариот, но является комбинационной и отличается большей сложностью.

20. Генная, или генетическая инженерия (genetic engineering, genetic modification technology) – это совокупность биотехнологических методов, позволяющих создавать синтетические системы на молекулярно-биологическом уровне

Генная инженерия дает возможность конструировать функционально активные структуры в форме рекомбинантных нуклеиновых кислот: рекДНК (recDNA) или рекРНК (recRNA) – вне биологических систем (in vitro), а затем вводить их в клетки.

Возможность прямой (горизонтальной) передачи генетической информации от одного биологического вида другому была доказана в опытах Ф. Гриффита с пневмококками (1928).

Однако генная инженерия как технология рекДНК возникла в 1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Станфордский ун-т, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса SV40.

С начала 1980-х гг. достижения генной инженерии начинают использоваться на практике.

С 1996 г. генетически модифицированные растения (genetic modified plants) начинают использоваться в сельском хозяйстве.

Задачи генной инженерии

Основные направления генетической модификации организмов:

– придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам);

– придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt-модификация);

– повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося);

– придание особых качеств (например, изменение химического состава).

Биотехноло́гия - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX-XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

21. Время существования клетки от ее образования до следующего деления или смерти называют жизненным циклом клетки (ЖЦК). В ЖЦК эукариотических клеток многоклеточного организма можно выделить несколько периодов (фаз), каждый из которых характеризуется определенными морфологическими и функциональными особенностями:

- фаза размножения и роста

- фаза дифференцировки

- фаза нормальной активности

- фаза старения и смерти клетки.

В жизненном цикле клетки можно также выделить митотический цикл, включающий подготовку клетки к делению и само деление.

Клеточный цикл- совокупность процессов включающих период подготовления клетки к делению и само деление. Состоит из двух стадий – стадия покоя (интерфаза) и стадия деления (митоз)

Интерфаза предшествует митозу и в ней осуществляется синтез ДНК. Подготовление клетки к делению состоит из 3 периудов 1)Пресинтетический 2)Синтетический 3)Постсинтетический

В любой клетке и организме все особенности анатомического, морфологического и функционального характера определяются структурой белков, которые входят в них. Наследственным свойством организма является способность к синтезу определенных белков. В аминокислоты расположены в полипептидной цепочке, от которой зависят биологические признаки.
Для каждой клетки характерна своя последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Это и есть генетический код ДНК. Посредством его записывается информация о синтезе тех или иных белков. О том, что такое генетический код, о его свойствах и генетической информации рассказывается в этой статье.

Немного истории

Идея о том, что, возможно, генетический код существует, была сформулирована Дж.Гамовым и А.Дауном в середине двадцатого столетия. Они описали, что последовательность нуклеотидов, отвечающая за синтез определенной аминокислоты, содержит по меньшей мере три звена. Позже доказали точное количество из трех нуклеотидов (это единица генетического кода), которое назвали триплет или кодон. Всего нуклеотидов насчитывается шестьдесят четыре, потому что молекулы кислот, где происходит или РНК, состоит из остатков четырех различных нуклеотидов.

Что такое генетический код

Способ кодирования последовательности белков аминокислот благодаря последовательности нуклеотидов характерен для всех живых клеток и организмов. Вот что такое генетический код.
В ДНК есть четыре нуклеотида:

аденин - А;
гуанин - Г;
цитозин - Ц;
тимин - Т.

Они обозначаются заглавными буквами латинскими или (в русскоязычной литературе) русскими.
В РНК также присутствуют четыре нуклеотида, однако один из них отличается от ДНК:

аденин - А;
гуанин - Г;
цитозин - Ц;
урацил - У.

Все нуклеотиды выстраиваются в цепочки, причем в ДНК получается двойная спираль, а в РНК — одинарная.
Белки строятся на где они, расположенные в определенной последовательности, определяют его биологические свойства.

Свойства генетического кода

Триплетность. Единица генетического кода состоит из трех букв, он триплетен. Это означает, что двадцать существующих аминокислот зашифрованы тремя определенными нуклеотидами, которые называются кодонами или трилпетами. Существуют шестьдесят четыре комбинации, которые можно создать из четырех нуклеотидов. Этого количества более чем достаточно для того, чтобы закодировать двадцать аминокислот.
Вырожденность. Каждая аминокислота соответствует более чем одному кодону, за исключением метионина и триптофана.
Однозначность. Один кодон шифрует одну аминокислоту. Например, в гене здорового человека с информацией о бета-цели гемоглобина триплет ГАГ и ГАА кодирует А у всех, кто болен серповидноклеточной анемией, один нуклеотид заменен.
Коллинеарность. Последовательность аминокислот всегда соответствует последовательности нуклеотидов, которую содержит ген.
Генетический код непрерывен и компактен, что означает то, что он не имеет «знаков препинания». То есть, начинаясь на определенном кодоне, идет непрерывное считывание. К примеру, АУГГУГЦУУААУГУГ будет считываться как: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Но никак не АУГ, УГГ и так далее или как-то еще иначе.
Универсальность. Он един абсолютно для всех земных организмов, от людей до рыб, грибов и бактерий.

Таблица

В представленной таблице присутствуют не все имеющиеся аминокислоты. Гидроксипролин, гидроксилизин, фосфосерин, иодопроизводных тирозина, цистин и некоторые другие отсутствуют, так как они являются производными других аминокислот, кодирующихся м-РНК и образующихся после модификации белков в результате трансляции.
Из свойств генетического кода известно, что один кодон способен кодировать одну аминокислоту. Исключением является выполняющий дополнительные функции и кодирующий валин и метионин, генетический код. ИРНК, находясь в начале с кодоном, присоединяет т-РНК, которая несет формилметион. По завершении синтеза он отщепляется сам и захватывает за собой формильный остаток, преобразуясь в остаток метионина. Так, вышеупомянутые кодоны являются инициаторами синтеза цепи полипептидов. Если же они находятся не в начале, то ничем не отличаются от других.

Генетическая информация

Под этим понятием подразумевается программа свойств, которая передается от предков. Она заложена в наследственности как генетический код.
Реализуется при синтезе белка генетический код :

информационной и-РНК;
рибосомальной р-РНК.

Информация передается прямой связью (ДНК-РНК-белок) и обратной (среда-белок-ДНК).
Организмы могут получать, сохранять, передавать ее и использовать при этом наиболее эффективно.
Передаваясь по наследству, информация определяет развитие того или иного организма. Но из-за взаимодействия с окружающей средой реакция последнего искажается, благодаря чему и происходит эволюция и развитие. Таким образом в организм закладывается новая информация.

Вычисление закономерностей молекулярной биологии и открытие генетического кода проиллюстрировали то, что необходимо соединить генетику с теорией Дарвина, на основе чего появилась синтетическая теория эволюции — неклассическая биология.
Наследственность, изменчивость и естественный отбор Дарвина дополняются генетически определяемым отбором. Эволюция реализуется на генетическом уровне путем случайных мутаций и наследованием самых ценных признаков, которые наиболее адаптированы к окружающей среде.

Расшифровка кода у человека

В девяностых годах был начат проект Human Genome, в результате чего в двухтысячных были открыты фрагменты генома, содержащие 99,99% генов человека. Неизвестными остались фрагменты, которые не участвуют в синтезе белков и не кодируются. Их роль пока остается неизвестной.

Последняя открытая в 2006 году хромосома 1 является самой длинной в геноме. Более трехсот пятидесяти заболеваний, в том числе рак, появляются в результате нарушений и мутаций в ней.

Роль подобных исследований трудно переоценить. Когда открыли, что такое генетический код, стало известно, по каким закономерностям происходит развитие, как формируется морфологическое строение, психика, предрасположенность к тем или иным заболеваниям, обмен веществ и пороки индивидов.

Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.

Свойства генетического кода.

Генетический код имеет несколько свойств.

Триплетность.

Вырожденность или избыточность.

Однозначность.

Полярность.

Неперекрываемость.

Компактность.

Универсальность.

Следует отметить, что некоторые авторы предлагают ещё и другие свойства кода, связанные с химическими особенностями входящих в код нуклеотидов или с частотой встречаемости отдельных аминокислот в белках организма и т.д. Однако эти свойство вытекают из вышеперечисленных, поэтому там мы их и рассмотрим.

а. Триплетность. Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет – это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.

Элементарную структурную единицу вначале расшифровали теоретически, а затем её существование подтвердили экспериментально. И действительно, 20 аминокислот невозможно закодировать одним или двумя нуклеотидом т.к. последних всего 4. Три нуклеотида из четырёх дают 4 3 = 64 варианта, что с избытком перекрывает число имеющихся у живых организмах аминокислот (см.табл. 1).

Представленные в таблице 64 сочетания нуклеотидов имеют две особенности. Во-первых, из 64 вариантов триплетов только 61 являются кодонами и кодируют какую либо аминокислоту, их называют смысловые кодоны . Три триплета не кодируют

аминокислот а являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три – УАА, УАГ, УГА , их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называютнонсенс-мутация . Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться – синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» — Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).

Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие тРНК. Для нонсенс-кодонов тРНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка тРНК не принимает участие.

Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции .

б. Вырожденность или избыточность.

61 из 64 триплетов кодируют 20 аминокислот. Такое трёхразовое превышение числа триплетов над количеством аминокислот позволяет предположить, что в переносе информации могут быть использованы два варианта кодирования. Во-первых, не все 64 кодона могут быть задействованы в кодировании 20 аминокислот, а только 20 и, во-вторых, аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами. Исследования показали, что природа использовала последний вариант.

Его предпочтение очевидно. Если бы из 64 варианта триплетов в кодировании аминокислот участвовало только 20, то 44 триплета (из 64) оставались бы не кодирующими, т.е. бессмысленными (нонсенс-кодонами). Ранее мы указывали, насколько опасно для жизнедеятельности клетки превращение кодирующего триплета в результате мутации в нонсенс-кодон — это существенно нарушает нормальную работу РНК-полимеразы, приводя в конечном итоге к развитию заболеваний. В настоящее время в нашем геноме три кодона являются бессмысленными, а теперь представьте, что было бы если число нонсенс-кодонов увеличится в примерно в 15 раз. Понятно, что в такой ситуации переход нормальных кодонов в нонсенс-кодоны будет неизмеримо выше.

Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. Так, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами - УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Валин кодируется четырьмя триплетами, фенилаланин - двумя и только триптофан и метионин кодируются одним кодоном. Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит названиевырожденность.

Число кодонов, предназначенных для одной аминокислоты, хорошо коррелируется с частотой встречаемости аминокислоты в белках.

И это, скорее всего, не случайно. Чем больше частота встречаемости аминокислоты в белке, тем чаще представлен кодон этой аминокислоты в геноме, тем выше вероятность его повреждения мутагенными факторами. Поэтому понятно, что мутированный кодон имеет больше шансов кодировать туже аминокислоту при высокой его вырожденности. С этих позиций вырожденность генетического кода является механизмом защищающим геном человека от повреждений.

Необходимо отметить, что термин вырожденность используется в молекулярной генетики и в другом смысле. Так основная часть информации в кодоне приходится на первые два нуклеотида, основание в третьем положении кодона оказывается малосущественным. Этот феномен называют “вырожденностью третьего основания”. Последняя особенность сводит до минимума эффект мутаций. Например, известно, что основной функцией эритроцитов крови является перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Осуществляет эту функцию дыхательный пигмент - гемоглобин, который заполняет всю цитоплазму эритроцита. Состоит он из белковой части – глобина, который кодируется соответствующим геном. Кроме белка в молекулу гемоглобина входит гем, содержащий железо. Мутации в глобиновых генах приводят к появлению различных вариантов гемоглобинов. Чаще всего мутации связаны с заменой одного нуклеотида на другой и появлением в гене нового кодона , который может кодировать новую аминокислоту в полипептидной цепи гемоглобина. В триплете, в результате мутации может быть заменён любой нуклеотид – первый, второй или третий. Известно несколько сотен мутаций, затрагивающих целостность генов глобина. Около400 из них связаны с заменой единичных нуклеотидов в гене и соответствующей аминокислотной заменой в полипептиде. Из них только100 замен приводят к нестабильности гемоглобина и различного рода заболеваниям от легких до очень тяжелых. 300 (примерно 64%) мутаций-замен не влияют на функцию гемоглобина и не приводят к патологии. Одной из причин этого является упомянутая выше “вырожденность третьего основания”, когда замена третьего нуклеотида в триплете кодирующем серин, лейцин, пролин, аргинин и некоторые другие аминокислоты приводит к появлению кодона-синонима, кодирующего ту же аминокислоту. Фенотипически такая мутация не проявится. В отличие от этого любая замена первого или второго нуклеотида в триплете в 100 % случаях приводит к появлению нового варианта гемоглобина. Но и в этом случае тяжёлых фенотипических нарушений может и не быть. Причиной этому является замена аминокислоты в гемоглобине на другую сходную с первой по физико-химическим свойствам. Например, если аминокислота, обладающая гидрофильными свойствами, заменена на другую аминокислоту, но с такими же свойствами.

Гемоглобин состоит из железопорфириновой группы гема (к ней и присоединяются молекулы кислорода и углекислоты) и белка - глобина. Гемоглобин взрослого человека (НвА) содержит две идентичные  -цепи и две  -цепи. Молекула  -цепи содержит 141 аминокислотных остатков,  -цепочка - 146,  — и  -цепи различаются по многим аминокислотным остаткам. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Ген, кодирующий  -цепь располагается в коротком плече 16 хромосомы,  -ген - в коротком плече 11 хромосомы. Замена в гене, кодирующем  -цепь гемоглобина первого или второго нуклеотида практически всегда приводит к появлению в белка новых аминокислот, нарушению функций гемоглобина и тяжёлым последствия для больного. Например, замена “Ц” в одном из триплетов ЦАУ (гистидин) на “У” - приведет к появлению нового триплета УАУ, кодирующего другую аминокислоту - тирозин Фенотипически это проявится в тяжёлом заболевании.. Аналогичная замена в 63 положении  -цепи полипептида гистидина на тирозин приведет к дестабилизации гемоглобина. Развивается заболевание метгемоглобинемия. Замена, в результате мутации, глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении  -цепи является причиной тяжелейшего заболевания - серповидно-клеточной анемии. Не будем продолжать печальный список. Отметим только, что при замене первых двух нуклеотидов может появится аминокислота по физико-химическим свойствам похожая на прежнюю. Так, замена 2-го нуклеотида в одном из триплетов, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА) в  -цепи на “У” приводит к появлению нового триплета (ГУА), кодирующего валин, а замена первого нуклеотида на “А” формирует триплет ААА, кодирующий аминокислоту лизин. Глутаминовая кислота и лизин сходны по физико-химическим свойствам - они обе гидрофильны. Валин - гидрофобная аминокислота. Поэтому, замена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин, значительно меняет свойства гемоглобина, что, в конечном итоге, приводит к развитию серповидноклеточной анемии, замена же гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофильный лизин в меньшей степени меняет функцию гемоглобина - у больных возникает легкая форма малокровия. В результате замены третьего основания новый триплет может кодировать туже аминокислоты, что и прежней. Например, если в триплете ЦАУ урацил был заменён на цитозин и возник триплет ЦАЦ, то практически никаких фенотипических изменений у человека выявлено не будет. Это понятно, т.к. оба триплета кодируют одну и туже аминокислоту – гистидин.

В заключении уместно подчеркнуть, что вырожденность генетического кода и вырожденность третьего основания с общебиологических позиция являются защитными механизмами, которые заложены в эволюции в уникальной структуре ДНК и РНК.

в. Однозначность.

Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный).

Однозначен

Кодон аминокислота

Вырожденный

И в этом случае необходимость однозначности в генетическом коде очевидна. При другом варианте при трансляции одного и того же кодона в белковую цепочку встраивались бы разные аминокислоты и в итоге формировались белков с различной первичной структурой и разной функцией. Метаболизм клетки перешёл бы в режим работы «один ген – несколько поипептидов». Понятно, что в такой ситуации регулирующая функция генов была бы полностью утрачена.

г. Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). Ранее мы говорили о том, что структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка. Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).

Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур.

д. Неперекрываемость.

Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов.

Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона. Если бы код был перекрывающим, то последовательность из семи нуклеотидов (ГЦУГЦУГ) могла кодировать не две аминокислоты (аланин-аланин) (рис.33,А) как в случае с не перекрывающимся кодом, а три (если общим является один нуклеотид) (рис. 33, Б) или пять (если общими являются два нуклеотида) (см. рис. 33, В). В последних двух случаях мутация любого нуклеотида привела бы к нарушению в последовательности двух, трёх и т.д. аминокислот.

Однако установлено, что мутация одного нуклеотида всегда нарушает включение в полипептид одной аминокислоты. Это существенный довод в пользу того, что код является не перекрывающимся.

Поясним это на рисунке 34. Жирными линиями показаны триплеты кодирующие аминокислоты в случае не перекрывающегося и перекрывающегося кода. Эксперименты однозначно показали, что генетический код является не перекрывающимся. Не вдаваясь в детали эксперимента отметим, что если заменить в последовательности нуклеотидов (см. рис.34) третий нуклеотид У (отмечен звёздочкой) на какой-либо другой то:

1. При неперекрывающемся коде контролируемый этой последовательностью белок имел бы замену одной (первой) аминокислоте (отмечена звёздочками).

2. При перекрывающемся коде в варианте А произошла бы замена в двух (первой и второй) аминокислотах (отмечены звёздочками). При варианте Б замена коснулась бы трёх аминокислот (отмечены звёздочками).

Однако многочисленные опыты показали, что при нарушении одного нуклеотида в ДНК, нарушения в белке всегда касаются только одной аминокислоты, что характерно для неперекрывающегося кода.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

*** *** *** *** *** ***

Аланин – Аланин Ала – Цис – Лей Ала – Лей – Лей – Ала – Лей

А Б В

Не перекрывающийся код Перекрывающийся код

Рис. 34. Схема, объясняющая наличие в геноме не перекрывающегося кода (объяснение в тексте).

Неперекрываемость генетического кода связана с ещё одним свойством – считывание информации начинается с определённой точки – сигнала инициации. Таким сигналом инициации в иРНК является кодон, кодирующий метионин АУГ.

Следует отметить, что у человека всё-таки имеется небольшое число генов, которые отступают от общего правила и перекрываются.

е. Компактность.

Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.

ж. Универсальность.

Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений. Есть и исключения, но их не много.

Первые исключения из универсальности генетического кода были обнаружены в митохондриях некоторых видов животных. Это касалось кодона терминатора УГА, который читался так же как кодон УГГ, кодирующий аминокислоту триптофан. Были найдены и другие более редкие отклонения от универсальности.

Кодовая система ДНК.

Генетический код днк состоит из 64 триплетов нуклеотидов. Эти триплеты называют кодонами. Каждый кодон кодирует одну из 20 аминокислот, используемых в синтезе белков. Это дает некоторую избыточность в коде: большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном.
Один кодон выполняет две взаимосвязанные функции: сигнализирует о начале перевода и кодирует включения аминокислоты метионина (Met) в растущую полипептидную цепь. Кодовая система днк устроена так, что генетический код может быть выражен либо как РНК-кодонами, либо кодонамиДНК. РНК-кодоны встречаются в РНК (мРНК) и эти кодоны способны читать информацию в процессе синтеза полипептидов (процесс, называемый переводом). Но каждая молекула мРНК приобретает последовательность нуклеотидов в транскрипции с соответствующего гена.

Все, кроме двух аминокислот (Met и Trp) могут быть закодированы посредством от 2 до 6 различных кодонов. Тем не менее, геном большинства организмов показывает, что определенные кодоны предпочтительны по сравнению с другими. У человека, например, аланин кодируется GCC четыре раза чаще, чем в GCG. Это, вероятно, свидетельствует о большей эффективности перевода аппарата трансляции (например, рибосомы) для некоторых кодонов.

Генетический код является почти универсальным. Те же кодоны назначены на тот же участок аминокислот и тем же сигналы пуска и остановки в подавляющем большинстве совпадают у животных, растений и микроорганизмов. Тем не менее, некоторые исключения были найдены. Большинство из них включают назначение одного или двух из трех стоп-кодонов к аминокислоте.

ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет"

Педагогический институт им. В.Г. Белинского

Кафедра "Общей биологии и биохимии"

Курсовая работа

по дисциплине "Биология"

на тему "Кодирование и реализация биологической информации в клетке, генетический код и его свойства"

Пенза 2014 г.

Введение

Общие свойства генетического материала и уровни организации генетического аппарата

3. Свойства гена

4.2 Рибонуклеиновая кислота

6. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код и его свойства

6.2 Репликация молекулы ДНК

6.4 Биосинтез белка в клетке

Заключение

генетический дезоксирибонуклеиновый биосинтез белок

Введение

Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковыхмолекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Уникальность каждой клетки заключается в уникальности ее белков. Клетки, выполняющие различные функции, способные синтезировать свои собственные белки, используя информацию, которая записана в молекуле ДНК.

Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации были опыты по трансформациибактерий. Ф. Гриффите (1928).

Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации получили Н. Циндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции.

Доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки, являются носителями генетической информации,были опыты X. Френкель-Конрата (1950). Так с открытием явлений трансформации, трансдукции и опытами Френкель-Конрата была доказана рольнуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

В 1941 г. Г. Бидл и Е. Татум установили, что гены отвечают за образование ферментов, которые через клеточный метаболизм влияют на развитие морфологических ифизиологических признаков.

В 1951 г. Э. Чаргафф открыл явление комплементарноcтиазотистых оснований в молекуле ДНК (правилаЧаргаффа), показав, что количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

В 1953 г. Дж.Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс предложили модель структуры молекулы ДНК, представляющую собой двойную спираль.

Таким образом, в начале 50-х годов было доказано,что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию. Первичными функциями генов являются хранение ипередача генетической информации. Передача генетической информации происходит от ДНК к ДНК при репликации ДНК. Такой путь передачи информации от ДНК к иРНК ибелку Ф. Крик (1958) назвал - центральной догмой молекулярной биологии.

В 60-х гг. работами М. Ниренберга, С. Очоа, X. Кораны и других была произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуленуклеиновых кислот определенным аминокислотам.

В 70-х гг. стали активнотразрабатываться методы генной инженерии, позволяющие целенаправленноизменять наследственные свойства живых организмов.

К концу XX столетия, благодаря новым молекулярно-генетическимтехнологиям, появилась возможность определять последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов). ДНК-тексты генома человека, представленные в целом 3 млрд. пар нуклеотидов, восновном прочитаны к 2001 году. Научно-практическое направление молекулярнойбиологии, имеющее целью определение нуклеотидных последовательностеймолекул ДНК, получило название геномики.

1. Общие свойства генетического материала и уровни организации генетического аппарата

Элементарной функциональной единицей генетического аппарата,определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организмаданного вида, является -ген (наследственный задаток, по Г. Менделю). Передачейгенов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальнаяпреемственность -наследование потомками признаков родителей.Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической,биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретностиорганизмов (клеток), т.е. отдельное качество или свойство, по которому ониотличаются друг от друга.

Большинство перечисленных выше особенностей организмов или клеток,относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтезамногих веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных идругих белков. Свойства белковой молекулы определяются аминокислотнойпоследовательностью ее полипептидной цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и являетсяэлементарным, или простым, признаком.

Основные свойства гена как функциональной единицы генетическогоаппарата определяются его химической организацией.

2. Химическая организация гена

Исследования, направленные на выяснение химической природынаследственного материала, неопровержимо доказали, что материальнымсубстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты,которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновыекислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярноймассой. Это полимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов, включающих трикомпонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин илипиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1" присоединяетсяазотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атомууглерода С-5" с помощью эфирной связи - фосфат; у третьего атома углерода С-3"всегда имеется гидроксильная группа-ОН. Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходитпутем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, чтомежду ними устанавливается фосфодиэфирная связь В результатеобразуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекулфосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1" присоединено одно изперечисленных выше азотистых оснований).Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии ферментаполимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующегонуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3", предыдущегонуклеотида. Благодаря отмеченной специфике действия названногофермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3". Начало цепи всегда несетфосфатную группу в положении 5". Это позволяет выделить в ней 5" и 3" концы.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала-хромосом обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

3. Свойства гена

Гены характеризуются определенными свойствами:специфичностью, целостностью и дискретностью, стабильностью и лабильностью, плейотропией, экспрессивностью и пенетрантностью.Специфичность гена заключается в том, что каждыйструктурный ген обладает только ему присущим порядкомрасположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида, рРНК или тРНК.Целостность гена состоит в том, что при программировании синтеза полипептида он выступает как неделимая единица, изменение которой приводит к изменениюмолекулы полипептида. Ген как функциональная единица - неделим.Дискретность гена определяется наличием в нем субъединиц. В настоящее время минимальной структурнойсубъединицей гена считают пару комплементарных нуклеотидов, а минимальной функциональной единицей -кодон.Гены относительно стабильны и изменяются (мутируют) редко. Частота спонтанной мутации одного гена -примерно 1 -Ю-5 на одно поколение.

Способность гена изменяться (мутировать) называетсялабильностью.Гены, как правило, обладают плейотропным (множественным) действием, когда один ген отвечает за проявление нескольких признаков. Это явление, в частности,наблюдается при некоторых энзимопатиях, множественных врожденных пороках развития, например при синдроме Марфана.

4. Структура и функции ДНК и РНК

Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus - ядро). Нуклеиновые кислоты- ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

1 Дезоксирибонуклеиновая кислота

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) - это самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид. Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны четыре нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК.Они отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Два азотистых основания цитозин и тимин - производные пиримидина. Аденин и гуанин относят к производным пурина. В названии каждого нуклеотида отражено название азотистого основания. Различают нуклеотиды: цитидиловый (Ц), тимидиловый (Т), адениловый (А), гуаниловый (Г). Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего. Согласно модели ДНК, обе нити вместе закручены вокруг общей оси. Две нити молекулы удерживаются рядом водородными связями, которые возникают между их комплементарнымиазотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин - цитозину.Междуаденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином три.

ДНК находится в ядре, где она вместе с белками образует линейные структуры - хромосомы. Хромосомы хорошо видны при микроскопировании в период деления ядра; в интерфазе они деспирализованы.

ДНК имеется в митохондриях и пластидах (хлоропластах и лейкопластах), где их молекулы образуют кольцевые структуры. В клетках доядерных организмов также присутствует кольцевая ДНК.

ДНК способна к самоудвоению (редупликации). Это имеет место в определенном периоде жизненного цикла клетки, называемом синтетическим. Редупликация позволяет сохранить постоянство структуры ДНК. Если под воздействием различных факторов в процессе репликации в молекуле ДНК происходят изменения в числе, порядке следования нуклеотидов, то возникают мутации.

Основная функция ДНК - хранение наследственной информации, заключеннойв последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этойинформации дочерним клеткам. Возможность передачи наследственнойинформации от клетки к клетке обеспечивается способностью хромосом кразделению на хроматиды с последующей редупликацией молекулы ДНК.В ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, опризнаках каждой клетки и организма в целом. Эта информация называетсягенетической.В молекуле ДНК закодирована генетическая информация опоследовательности аминокислот в молекуле белка. Передача иреализация информации осуществляется в клетке при участии рибонуклеиновых кислот.

2 Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновые кислоты бывают нескольких видов. Есть рибосомальная,транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного изазотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), углевода - рибозы иостатка фосфорной кислоты. Молекулы РНК - одноцепочковые.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом.Р-РНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.Информационная РНК (и-РНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке.По строению и-РНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информациюо синтезе определенного белка. Длина и-РНК зависит от длины участка ДНК, скоторого считывали информацию. И-РНК переносит информацию о синтезе белка изядра в цитоплазму.

Транспортная РНК (т-РНК) составляет около 10% всей РНК. Она имееткороткую цепь нуклеотидов и находится в цитоплазме. Т-РНК присоединяетопределенные аминокислоты и подвозит их к месту синтеза белка к рибосомам. Т-РНК имеет форму трилистника. На одном конце находится триплет нуклеотидов(антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце имеетсятриплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота.При комплементарности триплета т-РНК (антикодона) и триплета и-РНК(кодона), аминокислота занимает определенное место в молекуле белка.

РНК находится в ядрышке, в цитоплазме, в рибосомах, в митохондриях ипластидах.

В природе есть еще один вид РНК. Это вирусная РНК. У одних вирусов онавыполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У другихвирусов эту функцию выполняет вирусная ДНК.

5. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

Опыты Фредерика Гриффита 1928г. Известно, что бактерия Pneutnococcuspneumoniaeимеет несколько форм. Вирулентность бактерии определяется наличием мукополисахаридной капсулы, расположенной па поверхности клетки. Эта капсула защищает бактерию от воздействий со стороны организма-хозяина. В результате, размножившиеся бактерии убивают зараженное животное. Бактерии этого штамма (S-штамм) образуют гладкие колонии. Авирулентные формы бактерий не имеют защитной капсулы и образуют шероховатые колонии (R-штамм). Микробиолог Фредерик Гриффитс в 1928 году инъецировал мышам живого пневмококка R-штамма вместе с S-штаммом, убитым высокой температурой (65°С). Спустя некоторое время ему удалось выделить из заражённых мышей живых пневмококков, обладающих капсулой. Таким образом, оказалось, что свойство убитого пневмококка - способность образовывать капсулу - перешло к живой бактерии, т.е. произошла трансформация. Поскольку признак наличия капсулы является наследственным, то следовало предположить, что какая-то часть наследственного вещества от бактерий штамма S перешла к клеткам штамма R.

В 1944 году О.Т. Эвери, К.М. Маклеод и М. Маккарти показали, что такое же превращение типов пневмококков может происходить в пробирке, т.е. invitro. Эти исследователи установили существование особой субстанции -"трансформирующего принципа", -экстракта из клеток штамма S, обогащенного ДНK. Как далее выяснилось, ДНK, выделенная из клеток S-штамма добавленная в культуру R-штамма, трансформировала часть клеток в S-форму. Клетки стойко передавали это свойство при дальнейшем размножении. Обработка "трансформирующего фактора" ДНК-азой, ферментом разрушающим ДНK, блокирована трансформацию. Эти данные впервые показали, что именно ДНК, а не белок, как полагали до тех пор, является наследственным материалом.

г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз.Как известно, фаг Т2 является вирусом, инфицирующим бактерию E. coli. фаговые частицы абсорбируются на наружной поверхности клетки, их материал проникает внутрь и примерно через 20 минут бактерия лизируется, освобождая большое количество фаговых частиц - потомков. В 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз инфицировали бактерии фагами Т2, которые были мечены радиоактивными соединениями: ДНК - с помощью 32P. Белковая часть фага - 35S. После инфекции бактерии фагами, с помощью центрифугирования удалось выделить две фракции: пустые белковые оболочки фага и бактерии, инфицированных фаговой ДНК. Оказалось, что 80% метки 35S осталась в пустых фаговых оболочках, а 70% метки 32P - в инфицированных бактериях. Фаги-потомки получили только около 1% исходного белка, меченного 35S, однако они же обнаружили около 30% метки 32P. Результаты этого эксперимента прямо показали, что ДНК родительских фагов проникает в бактерии и затем становиться составляющей развившихся новых фагов частиц.

г. Опыты Френкеля - КонратаФренкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.

Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации. На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.

6. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК.Биологический код и его свойства

1 Уровни упаковки генетического материала

Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми инегистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидномнаборе хромосом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации) фибрилл.

Первый уровень упаковки ДНК-нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой цилиндр (октамер) диаметром11 нм и высотой 6 нм, содержащий по две молекулы каждого из четырех гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), вокругкоторого двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующий цилиндр. Длина накрученного фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм(около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким образом нуклеосомная нить имеет диаметр около 13 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.

Второй уровень упаковки-соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы.сшиваются. гистоном HI и образуется спиральдиаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковкиобнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки-хроматидный (петлевой).Супернуклеосомная нитьспирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды иобеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм.Нить ДНП (ДНК+белок) укорачивается в 10-20 раз.

Четвертый уровень упаковки-уровень метафазнойхромосомы. Хроматиды в метафазе способны еще спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных)участков; происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм идиаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации -укорочение нити ДНК в 10 000 раз.

Хромосомыпрокариотических клеток представляютсобой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около5 -106 пар нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специальные методы разрушения прокариот, можно обнаружить, что их ДНК собрана в бусины, приближающиеся по величине к нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указывает на слабое взаимодействие между ДНК и белками.

Характер конденсации хромосомы прокариот не вполневыяснен, но в целом она может быть выделена в видекомпактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотическихклетках (бактерий) содержатся и кольцевыедвухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы-плазмидыспособны реплицироватьсявне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды вбольшинстве своем содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам. Кольцевидные молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. ДНК органоидов не связана с гистонами.

6.2 Репликация молекулы ДНК

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей материнской молекулы служит матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности. После репликации молекула ДНК содержит одну материнскую цепочку и одну дочернюю, вновь синтезированную (синтез ДНКявляется полуконсервативным). Так как две комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, а ДНК-полимераза может продвигатьсявдоль матричных цепей лишь от 5"-конца к З"-концу, то синтез новых цепей идет антипараллельно (принцип антипараллельности) Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов (нескольких миллионов), невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Бактериальная хромосома содержит один репликон. Эукариотическая хромосома содержит много репликонов, в которых удвоение молекулы ДНК идет одновременно. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точка начала, в которой инициируется репликация, и точка окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. Репликационная вилка движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении (5"-3"), то в каждой репликационной вилке она может постепенно и непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона связываются воедино ферментом лигазой. Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Участки.дочерних. молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также сшиваются ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу.

6.3 Генетический код и его свойства

Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Относительная примитивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследственности и изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрезвычайно разнообразная информация.

Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или нонсенс-триплетов. Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считываниинаследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ. Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том,что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типузамены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует туже самую аминокислоту.

В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена егоспецифичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентностивего эволюции на ранних этапах существования жизни.

Расшифровка кода в ДНКмитохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.Наряду с триплетностью, вырожденностью, специфичностью и универсальностью важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2 - 3 аминокислот в пептидной цепи.

Таким образом, генетический код представляет собой не случайный конгломерат соответствий между кодонами и аминокислотами, а высокоорганизованную систему соответствий, поддерживаемую сложными молекулярными механизмами.

4 Биосинтез белка в клетке

Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает иРНК (информационная РНК). Она синтезируется в ядре наодной из цепей ДНК по принципу комплементарностипосле разрыва водородных связей между двумя цепочками (фермент РНК-полимераза). Процесс переписывания информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией. Синтезированная таким образом иРНК (матричный синтез) выходит через поры ядра в цитоплазму и взаимодействует с малой субъединицей одной или нескольких рибосом. Рибосомы, объединенные одной молекулой иРНК, называют полисомами. На каждой рибосоме полисомы синтезируются одинаковые молекулы белка.

Следующий этап биосинтеза белка - трансляция, перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Транспортные РНК (тРНК) .приносят аминокислоты в рибосому. Молекула тРНК по конфигурации похожа на лист клевера и имеет два активных центра. На одном конце молекулы расположен триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном исоответствует определенной аминокислоте. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами,то число различных тРНК значительно больше 20 (идентифицировано 60). Второй активный центр-противоположный антикодону участок, к которому прикрепляется аминокислота. На 5"-конце молекулытРНК всегда находится гуанин,а на 3"-конце-риплет ЦЦА. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии особой формы фермента аминоацил-тРНК-синтетазыи АТФ. В результате образуется комплекс аминокислоты стРНК-аминоацил-тРНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотойдостаточна для образования вдальнейшем пептидной связи. Аминокислоты транспортируются в большую субъединицу рибосом. В каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона и РНК: один напротиваминоацильного центра, второй - напротив пептидилъного центра. Если антикодон тРНК и кодонаминоацильного центра являются комплементарными, то тРНКи аминокислота переходят в пептидильный центр (рибосома продвигается на один триплет), аминокислота отсоединяется от тРНК и присоединяется к предшествующейаминокислоте, а тРНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. То же происходит со второй тРНК и ее аминокислотой. Таким образом, полипептидная молекуласобирается в полном соответствии с информацией, записанной на иРНК. В процессе трансляции выделяют три стадии: инициации, элонгации и терминации. Инициация (началотрансляции) заключается в связывании рибосомы сиРНК, для чего в начале молекулы иРНК имеется специальный инициирующий кодон (АУГ) и определенная последовательность нуклеотидов, которая отвечает за связь с рибосомой. Элонгация (процесс трансляции) включаетреакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосома перемещается от первогодо последнего кодона на иРНК. Терминация (конецтрансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, У ГА), которые прекращают синтез белка; происходит отделение рибосомы от иРНК. Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функцию выполняют хромосомные белки (гистоны). Их молекулы заряжены положительно и легко связываются с отрицательно заряженными фосфатами, влияя натранскрипцию определенных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетил ирование, метилирование) ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновыебелки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транскрипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерныеРНК, которые находятся в комплексе с белками и могутизбирательно включать гены. Усиливают синтез белка различные анаболическиестероиды, инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот (инозин, оротат калия). Ингибиторамисинтеза белка являются антибиотики (рифамицины, оливомицин), некоторые противоопухолевые препараты (винбластин, винкристин, 5-фторурацил), модифицированные азотистые основания и нуклеозиды.

В лабораторных условиях синтез белков требует огромного времени, усилий и средств. В клетке же синтез белковых молекул, состоящих из сотен и более аминокислот, осуществляется в течение нескольких секунд. Это объясняется в первую очередь матричным принципом синтеза нуклеиновых кислот и белков, обеспечивающим точную последовательность мономерных звеньев а синтезируемых полимерах. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Существенное влияние на быстроту и точность протекания всех реакций синтеза белка оказывают ферменты. С участием специальных ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК, соединение аминокислот с тРНК и т. д. Процесс белкового синтеза требует также больших затрат энергии. Так, на соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Можно представить, сколько молекул "АТФ расщепляется в процессе синтеза среднего по размерам белка, состоящего из нескольких сотен аминокислот.

Заключение

Биологические свойства живой материи обуславливаются совокупными свойствами её составляющих биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В связи с этим живая материя подчиняется не только всем известным физико-химическим законам, но и закономерностям информационным. Ясно, что биоорганическое вещество является материальной основой построения любой живой системы. Кроме того, биологические макромолекулы и структуры выступают и в качестве носителя молекулярной информации, поэтому информация в структуре живого имеет химическую форму записи. Благодаря обработке и циркуляции наследственной информации в процессе жизнедеятельности осуществляется управление и регулирование биохимическими и молекулярными процессами, снижается энтропия (дезорганизация) живой системы. Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов.

На основании достижений молекулярной биологии, биохимии и генетики в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление в генетике генная инженерия, целью которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой путем переноса генетической информации из одного организма в другой.

Генная инженерия берет свое начало в 1973 году, когда генетики Стэнли Кохен и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки.

Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.

В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания ещё на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьёзных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребёнка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.

Исходя из выше сказанного, имеются убедительные основания полагать, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии, были заново "открыты" человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности.

Список использованных источников информации

1.Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир, 1988. Т. 3.

2.Генная инженерия. Статья.russia.ru/content/view/38/36/

Гриф МО РФ. Биология. Учебник. 1т. ГЭОТАР-Медиа (2013г.) 1290с.

4.Заяц Р.Г., Рачковская И.В. Основы общей и медицинской генетики. Мн.: ВШ, 1998.

5.Калашников Ю. Я., Информационное управление клеточными процессами .

6.Петухов В.Л., Короткевич О.С., Стамбеков С.Ж. Генетика. учеб. пособие для студентов высш. учеб. Заведений Новосибирск: СемГПИ, 2007. 628 с.

7.Поликарпова В.А. Генная инженерия и проблемы человека. Академия гуманитарных наук, изд-во ТРТУ, 1999. - 88 с.

8.Спирин А.С. Молекулярная биология. М.: Высш. шк. 1990. 352 с.

Чебышев Н.В., Гринева Г.Г., Козарь М.В., Гуленков С.И.Биология (Учебник). - М.: ВУНМЦ, 2000.

Ярыгин В.Н., В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синелыцикова. Биология. Кн. 1: Учеб. длямедиц. спец. Вузов 2003.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.