Хотя генетика — невероятно сложная наука, генетический код как раз довольно прост для понимания, его изучают в девятом классе на уроках биологии и потом благополучно забывают.
Генетический код — это правила, по которым последовательность аминокислот в белке кодируется молекулой матричной РНК.
Белок — это молекула, состоящая из цепочки аминокислот, соединенных пептидной связью. Всего известно около 60 аминокислот, но в большинстве белков используются 20 так называемых стандартных аминокислот.
Свойства белков зависят от того, какие аминокислоты, в каком количестве и в какой последовательности входят в их состав. Скажем, антитела к различным вирусам, инсулин, альбумин (яичный белок), гемоглобин, многие ферменты, основа клеточной мембраны — все это белки, но очень разные.
ДНК и РНК — молекулы, состоящие из цепочки нуклеотидов (нуклеиновых кислот). Всего существует пять нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин,тимин и урацил. Первые три присутствуют и в ДНК и в РНК. Тимин и урацил — это похожие по составу нуклеотиды, тимин присутствует только в ДНК, урацил — только в РНК.
В ДНК последовательностью нуклеотидов зашифрована генетическая информация о составе всех белков, необходимых конкретному организму. РНК эту информацию считывает и передает “инструкцию” непосредственно на место синтеза белка, в рибосому. В каждой из примерно 10 млрд человеческих клеток постоянно работает заводик по производству белков — без перерыва и отпуска.
Схема в общих чертах выглядит так: в ядре клетки постоянно формируется слепок ДНК — молекула матричной РНК. Каждому из четырех нуклеотидов-”кирпичиков” ДНК соответствует определенный нуклеотид мРНК — они комплементарны, то есть дополняют друг друга, как ключ и замок. Аденин соединяется с урацилом\тимином, цитозин с гуанином. Нуклеотиды обозначаются первыми буквами названий, чаще латинскими. Процесс создания “слепка” называется транскрипцией. Он происходит непрерывно.
Готовая молекула матричной РНК отделяется от ДНК и попадает из ядра в рибосому. Молекулы транспортной РНК тащат к ней, как к конвейеру, необходимые аминокислоты. Эти аминокислоты в рибосоме соединяются в цепочку по инструкции, считанной с матричной РНК: каждую аминокислоту кодирует тройка (триплет) нуклеотидов мРНК, стоящих в определенном порядке (скажем, GGU, AGU, CUA и т.д). Процесс сборки белка называется трансляцией.
Соответствие между триплетами нуклеотидов и конкретными аминокислотами — это генетический код.
Практически всегда и у всех организмов на Земле соответствие между триплетами нуклеотидов и конкретными аминокислотами одинаковое — это свойство называют универсальностью генетического кода. Генетический код универсален для всех, от цианобактерий до человека. Это лишний раз напоминает о том, что мы с цианобактериями хоть и далекие, но родственники.
Однако в некоторых случаях генетический код все-таки немного видоизменяется, в частности, при синтезе белков в митохондриях.
Специфичность генетического кода состоит в том, что каждому триплету-кодону соответствует только одна аминокислота. Например, триплет AUG кодирует только аминокислоту метионин; триплет CAC — только гистидин; UAU — только тирозин.
Однако вариантов тройных комбинаций из четырех нуклеотидов существует 43 = 64. А аминокислот в белках — всего 20. Поэтому природа устроила так, что каждую аминокислоту кодируют несколько триплетов. Скажем, аминокислоту аланин можно закодировать четырьмя кодонами: GCU, GCA, GCC, GCG (все начинаются с GC). А лейцин — аж семью кодонами, из них четыре начинаются с CU. Это свойство называется избыточностью генетического кода. Оно выполняет важную роль: предупреждает ошибки и поломки в системе. Когда в ДНК есть мутация, матричная РНК тоже копирует эту ошибку. Но если мутация точечная, то есть лишь один нуклеотид в триплете неправильный, то благодаря избыточности генетического кода есть шанс, что триплет все равно закодирует нужную аминокислоту.
Сейчас установлены многие мутации, приводящие к наследственным заболеваниям. Например, из-за перестройки в Х-хромосоме в организме перестает вырабатываться белок под названием «фактор VIII». Этот белок необходим для сворачивания крови и формирования сгустка на ране. Болезнь известна как гемофилия. Более мелкие, точечные мутации приводят к талассемии, серповидной анемии, муковисцидозу и другим наследственным заболеваниям.
Есть и другие болезни, о наследственном происхождении которых генетики пока только строят предположения, — например, синдром Туретта. Возможно, в будущем удастся найти мутацию или, скорее, набор мутаций, ответственных за его возникновение.
Между отдельными триплетами матричной РНК никакого разграничения нет. Поэтому в синтезе белка окончание одного триплета автоматически означает начало следующего. Отсюда еще два свойства генетического кода: непрерывность и неперекрываемость. Непрерывность генетического кода — это считывание кодонов без промежутков, один за другим. Неперекрываемость генетического кода означает, что каждый нуклеотид может входить в состав только одного триплета. Если триплеты GUA и CCG выстроены в непрерывную цепочку, то A не может быть частью триплета ACC — поскольку триплеты не перекрываются.
Помимо смысловых кодонов, существуют кодоны, которые означают начало и конец белковой молекулы: UAA, UAG, UGA. В огромном большинстве случаев эти кодоны служат только сигнальными флажками, знаками препинания в закодированной фразе. Но есть исключения: в митохондриях, а также у инфузорий и зеленых водорослей триплеты UAA, UAG, UGA могут служить еще и смысловыми кодонами. Как рибосома “понимает” разницу? Этот вопрос не до конца решен, но считается, что значение стоп-кодонов зависит от положения в молекуле мРНК: если они попадаются в середине, значит, смысловые; если близко к концу молекулы РНК — рибосома воспринимает их как стоп-кодоны.
Благодаря таким жестким закономерностям генетический код легко складывается в таблицу.
Как только в 1953 году Крик и Уотсон на основании данных Франклин и Уилкинса открыли структуру двойной спирали ДНК, ученые задались вопросом, как именно ДНК кодирует последовательность аминокислотніх остатков в белке. Первым предложил идею триплетов Георгий Гамов, американский физик русского происхождения. Гамов не занимался биологией — он просто заметил, что для кодирования 20 аминокислот достаточно 64 комбинаций, возникающих при сочетании четырех нуклеотидов тройками.
В 1961 году эту гениальную в своей элегантной простоте идею подтвердили экспериментально. Американский биохимик Маршалл Ниренберг с коллегами провел эксперимент по синтезу белка (точнее, пептида) в пробирке, in vitro. В качестве матрицы взяли синтетический олигонуклеотид — нуклеиновую кислоту, состоящую только из урацила, и поместили ее в “подопытного кролика” — кишечную палочку E. Coli. Бактерия начала прилежно синтезировать белок на искусственной матрице. В результате получился полипептид, содержавший только аминокислоту фенилаланин. Так впервые было установлено значение триплета-кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин.
Дальнейшие эксперименты проводились с синтетической РНК, содержащей только аденин, только цитозин, а затем — разные комбинации нклеотидов. Большинство кодонов расшифровал индийский биохимик Хар Гобинд Корана. А американский биохимик Роберт Холли описал структуру матричной РНК. В 1968 году эти трое ученых — Ниренберг, Корана и Холли — получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за вклад в расшифровку генетического кода.
Читайте также:
Генетики расшифровали геном саблезубой кошки
Анализ ДНК показал, что коренных жителей Карибского региона уничтожили еще до Колумба
Туристическое страхование часто воспринимается как дополнительная трата средств, которой можно избежать. Однако, это ошибочное представление,…
Открытие учетной записи на игровой площадке обычно вознаграждается подарком. Иногда клиенту для этого достаточно завести…
В мире виноделия существует напиток, который завоевал сердца многих гурманов своим уникальным вкусом и ароматом.…
Рынок азартных развлечений в Украине активно развивается, что заметно по регулярному пополнению списка легальных онлайн-казино.…
Туризм ради игры становится всё более популярным среди путешественников по всему миру. Казино уже давно…
Рассказываем о бонусах Vbet. Мы расскажем о разных видах поощрений - как стандартных для всех…