Одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом
§ 23. Генетический код и его свойства
1. Что такое ген? Что представляет собой генетический код?
Ген — участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре определенного белка, рРНК или тРНК.
Генетический код — это система записи информации о первичной структуре белков в виде последовательности нуклеотидов ДНК (мРНК).
2. Охарактеризуйте свойства генетического кода.
Триплетность. Каждая аминокислота кодируется триплетом (кодоном) – сочетанием из трёх последовательно расположенных нуклеотидов.
Неперекрываемость. Один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.
Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
Избыточность (вырожденность). Одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими разными триплетами (от 2 до 6). Исключение составляют метионин и триптофан – каждая из этих аминокислот кодируется лишь одним триплетом.
Непрерывность. Между триплетами нет знаков препинания, то есть информация в пределах одного гена считывается непрерывно.
Универсальность. У всех живых организмов одним и тем же триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, что свидетельствует о единстве происхождения живых организмов.
3. Что представляют собой стоп-кодоны? Какую роль играет стартовый кодон АУГ?
Стоп-кодоны – это триплеты, которые не кодируют аминокислоты, а служат сигналами окончания синтеза белка. В иРНК терминирующими кодонами являются УАА, УАГ и УГА, в ДНК им соответствуют АТТ, АТЦ и АЦТ.
Правильное считывание генетического кода обеспечивается только в том случае, если оно начинается со строго определённого пункта. В молекуле иРНК считывание начинается с кодона АУГ, поэтому данный триплет называется стартовым (инициирующим).
4. Почему аминокислота кодируется не одним и не двумя, а тремя последовательно расположенными нуклеотидами?
В состав ДНК и РНК входит по четыре типа нуклеотидов. При этом кодировать необходимо 20 белокобразующих аминокислот. Если бы за одну аминокислоту «отвечал» один нуклеотид, то можно было бы закодировать лишь 4 аминокислоты. Нуклеотидных дуплетов (по два) хватило бы только на 4 2 = 16 аминокислот. Нетрудно подсчитать, что число возможных комбинаций из четырёх типов нуклеотидов по три составляет 4 3 = 64. Этого более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белков.
5. Молекула мРНК начинается со следующей последовательности нуклеотидов: АУГГУАЦЦУУГГЦАЦ… С какой последовательности аминокислотных остатков начинается белок, закодированный этой мРНК? Для решения используйте таблицу генетического кода (см. табл. 14).
Разобьём мРНК на триплеты и с помощью таблицы генетического кода определим последовательность аминокислотных остатков закодированного белка.
мРНК: АУГ ГУА ЦЦУ УГГ ЦАЦ.
Ответ: белок начинается со следующей последовательности аминокислотных остатков: Мет–Вал–Про–Трп–Гис.
6. Как вы думаете, какое биологическое значение имеет свойство вырожденности генетического кода?
Благодаря свойству вырожденности повышается надёжность воспроизведения генетической информации, т.к. при нарушениях нуклеотидной последовательности ДНК или иРНК (а именно – при определённых заменах нуклеотидов) изменившиеся триплеты могут кодировать те же самые аминокислоты. Например, в иРНК триплет ЦУА кодирует аминокислоту лейцин (Лей), и замена третьего нуклеотида (А) на любой другой, либо замена первого нуклеотида на урацил (У) не приводят к изменению смысла триплета.
7. Действие некоторых факторов (рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, определенных химических веществ и др.) или ошибки, иногда возникающие при репликации, могут приводить к изменению последовательности нуклеотидов ДНК. При этом может происходить вставка или выпадение нуклеотидов либо замена одних нуклеотидов на другие. Как вы считаете, какие изменения чаще приводят к нарушению нормального функционирования клеток (и даже к их гибели) — вставки и выпадения или же замены нуклеотидов ДНК? Обоснуйте ответ.
К нарушению нормального функционирования клеток чаще приводят вставки или выпадения нуклеотидов, поскольку такие изменения приводят к сдвигу рамки считывания, из-за чего меняется исходный смысл гена и синтезируется совершенно другой белок (либо внутри гена возникает стоп-кодон и процесс биосинтеза белка обрывается).
Замена одного нуклеотида на другой ведёт к изменению лишь одного кодона без сдвига рамки считывания. Поэтому в синтезируемом белке одна аминокислота может быть заменена на другую, причём не обязательно, поскольку генетический код обладает свойством вырожденности.
Суть происходящего можно объяснить учащимся, проведя аналогию со следующим примером. В предложении ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ заключён определённый смысл. Если произвести замену одной буквы на другую (наподобие замены одного нуклеотида на другой), смысл меняется незначительно, например ЖИВ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР… Вставка или выпадение буквы (по аналогии – нуклеотида) приводит к потере смысла (изменению всей первичной структуры белка), например, ЖИБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ…
Что такое генетический код и как он работает?
Содержание:
Независимо от того, сколько морфологического разнообразия мы, живые существа, представляем, все мы объединены под одной крышей: нашей основной функциональной единицей является клетка. Если у живого существа есть клетка, на которой основана вся его морфологическая структура, она известна как одноклеточная (случай простейших или бактерий), тогда как те из нас, у кого их несколько (от нескольких сотен до сотен миллиардов), являются многоклеточными существами.
Таким образом, каждый организм начинается с клетки, и поэтому некоторые молекулярные объекты, такие как вирусы, не считаются строго «живыми» с биологической точки зрения. В свою очередь, исследования показали, что каждая клетка содержит колоссальные 42 миллиона белковых молекул. Поэтому неудивительно, что, по оценкам, 50% веса сухих живых тканей состоят исключительно из белков.
Почему мы предоставляем все эти, казалось бы, несвязанные данные? Сегодня мы приходим, чтобы разгадать секрет жизни: генетический код. Каким бы загадочным оно ни казалось на первый взгляд, мы заверяем вас, что вы сразу поймете эту концепцию. Речь идет о клетках, белках и ДНК. Останься, чтобы узнать.
Что такое генетический код?
Характеристики генетического кода были установлены в 1961 году Фрэнсисом Криком, Сиднеем Бреннером и другими сотрудниками молекулярных биологов. Этот термин основан на ряде предпосылок, но сначала мы должны уточнить некоторые термины, чтобы понять их. Действуй:
Основы генетического кода
Когда мы разберемся с этими основными терминами, пришло время изучить основные особенности генетического кода, установленные Криком и его коллегами. Это следующие:
Раскрытие генетического кода
У нас уже есть терминологическая база и теоретические основы. Пришло время применить их на практике. Прежде всего, мы вам скажем, что Каждый нуклеотид получает название на основе буквы, что обусловлено азотистым основанием, которое он представляет.. Азотистыми основаниями являются следующие: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G), тимин (T) и урацил (U). Аденин, цитозин и гуанин универсальны, тимин уникален для ДНК, а урацил уникален для РНК. Если вы видите это, как вы думаете, что это значит?:
Пора восстановить условия, описанные выше. CCT является частью цепи ДНК, то есть 3 разных нуклеотидов: один с основанием цитозина, другой с основанием цитозина и третий с основанием тимина. Во втором случае, выделенном жирным шрифтом, мы имеем дело с кодоном, поскольку это «тадуцидируемая» генетическая информация ДНК (отсюда урацил там, где раньше был тимин) в цепи РНК.
Таким образом, мы можем утверждать, что CCU является кодоном, который кодирует аминокислоту пролин. Как мы уже говорили, генетический код вырожден. Таким образом, аминокислота пролин также кодируется другими кодонами с другими нуклеотидами: CCC, CCA, CCG. Таким образом, аминокислота пролин кодируется всего 4 кодонами или триплетами.
Следует отметить, что для кодирования аминокислоты необходимы не 4 кодона, а то, что любой из них действителен. Обычно, незаменимые аминокислоты кодируются 2,3,4 или 6 различными кодонами, кроме метионина и триптофана которые отвечают только на один.
Почему так много сложностей?
Сделаем расчеты. Если бы каждый кодон кодировался только одним нуклеотидом, могли бы образоваться только 4 разные аминокислоты. Это сделало бы синтез белка невозможным, поскольку в целом каждый белок состоит примерно из 100-300 аминокислот. В генетический код входит всего 20 аминокислот.Но они могут быть расположены по-разному на «конвейере», давая начало различным белкам, присутствующим в наших тканях.
С другой стороны, если бы каждый кодон состоял из двух нуклеотидов, общее количество возможных «диплетов» было бы 16. Мы все еще далеки от цели. Теперь, если бы каждый кодон состоял из трех нуклеотидов (как и в случае), количество возможных перестановок увеличилось бы до 64. Принимая во внимание, что существует 20 незаменимых аминокислот, с 64 кодонами это дает для кодирования каждой из них и, кроме того, предлагать разные варианты в каждом случае.
Прикладной вид
Нам не хватает места, но действительно сложно сконцентрировать столько информации в нескольких строках. Следуйте за нами на следующей диаграмме, потому что мы обещаем вам, что закрыть весь этот терминологический конгломерат намного проще, чем кажется:
CCT (ДНК) → CCU (РНК) → пролин (рибосома)
Эта небольшая диаграмма выражает следующее: клеточная ДНК содержит 3 нуклеотида CCT, но она не может «выражать» генетическую информацию, поскольку изолирована от клеточного аппарата в своем ядре.. По этой причине фермент РНК-полимераза отвечает за ТРАНСКРИБИРОВАНИЕ (процесс, известный как транскрипция) нуклеотидов ДНК в нуклеотиды РНК, которые образуют информационную РНК.
Теперь у нас есть кодон CCU в информационной РНК, который будет перемещаться из ядра через поры в цитозоль, где расположены рибосомы. Подводя итог, можно сказать, что информационная РНК передает эту информацию рибосоме, который «понимает», что аминокислота пролин должна быть добавлена к уже построенной аминокислотной последовательности, чтобы дать начало конкретному белку.
Как мы уже говорили ранее, белок состоит примерно из 100-300 аминокислот. Таким образом, любой белок, образованный из порядка 300 аминокислот, будет кодироваться в общей сложности 900 триплетами (300×3) или, если хотите, 2700 нуклеотидами (300x3x3). Теперь представьте себе каждую букву в каждом из 2700 нуклеотидов, что-то вроде: AAAUCCCCGGUGAUUUAUAAGG (. ) Именно это расположение, это скопление букв и является генетическим кодом. Проще, чем казалось сначала, правда?
Резюме
Если вы спросите любого биолога, интересующегося молекулярной биологией, о генетическом коде, то наверняка поговорите около 4-5 часов. Поистине увлекательно знать, что секрет жизни, каким бы нереальным он ни казался, заключен в определенной последовательности «букв».
Так что, геном любого живого существа можно отобразить с помощью этих 4 букв. Например, согласно проекту «Геном человека», вся генетическая информация нашего вида состоит из 3 000 миллионов пар оснований (нуклеотидов), которые находятся на 23 парах хромосом в ядрах всех наших клеток. Конечно, какими бы разными ни были живые существа, у всех нас есть общий «язык».
Генетический код
Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства.
Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.
Читать 0 мин.