§5. Свойства генетического кода
Цель изучения этой темы: объяснить свойства генетического кода.
Что является мономером ДНК, а что мономером белков? У какого из этих веществ большее разнообразие в количестве типов мономеров? Сколько типов нуклеотидов в ДНК? Сколько разных типов аминокислот встречается в составе белков?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 41 – учебник для 9 класса.
Генетический код – это система записи порядка аминокислот с помощью нуклеотидов ДНК. Ученые долгое время считали, что материальными носителями наследственности являются именно белки, а не нуклеиновые кислоты, так как они более разнообразны. И белки, и нуклеиновые кислоты – полимеры. Но мономерами белков являются 20 видов аминокислот, а у ДНК всего 4 типа мономеров-нуклеотидов. Представьте себе разные по длине нити бус, состоящие из бусинок 4 цветов. А теперь представьте бусы, состоящие из бусинок 20 разных цветов. Очевидно, что бусы (полимерные цепи), состоящие из 20 разных цветов (видов мономеров), будут более разнообразны. Но веществом наследственности являются все-таки нуклеиновые кислоты, а не белки. И это не случайно. Во-первых, ДНК, как двуцепочечная молекула, химически более стабильна, чем, например, белки или РНК. Ее структуру гораздо труднее разрушить. Во-вторых, она способна к самокопированию – репликации, которая благодаря принципу комплементарности протекает с высокой точностью. Кроме того, ДНК не выполняет никаких побочных функций, кроме хранения наследственной информации, в то время как функции белков так же разнообразны, как их свойства.
Свойства генетического кода. Триплетность – важнейшее свойство генетического кода. Оно означает, что 3 нуклеотида ДНК кодируют одну аминокислоту. Это свойство позволяет кодировать 20 видов аминокислот, используя всего 4 типа нуклеотидов ДНК. Почему генетический код именно триплетен? Если бы 2 нуклеотида ДНК кодировали 1 аминокислоту, этого было бы недостаточно, чтобы записать все 20 видов аминокислот. Диплетного генетического кода хватило бы только на 16 видов аминокислот, ведь 4²=16. Если же кодировать с помощью 3 нуклеотидов ДНК, этого будет более чем достаточно. Ведь 4³=64.
Вырожденность. Вы, наверное, заметили, что число значимых триплетов (61) более чем в три раза превосходит число аминокислот (20). Но с этим ничего не поделаешь. Если бы генетический код не был триплетным (а был бы диплетным), то на 20 аминокислот не хватило бы комбинаций (16). Действительно, большинство аминокислот кодируются более чем 1 триплетом (табл. 1). Всего 2 аминокислоты – метионин и триптофан – имеют только 1 триплет. Это свойство генетического кода называется вырожденностью.
Понятию «вырожденность» генетического кода противоположна его однозначность.
Согласно математической логике каждую аминокислоту должны были бы кодировать по 3 триплета (64/20=3,2). Но в реальности это совсем не так. Всего 1 аминокислота – изолейцин – кодируется 3 триплетами. 2 аминокислоты – метионин и триптофан – кодируются только 1 триплетом. Большинство же аминокислот кодируются 4 триплетами. 5 триплетами не кодируется ни одна аминокислота. 6 триплетами кодируются серин, лейцин и аргинин.
Универсальность генетического кода состоит в том, что одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых организмов. Жизненные процессы (гликолиз, механизмы репликации, работа ферментов и т. д.), обязательные для всего живого, сформировавшись однажды на заре зарождения жизни, мало изменяются. Поэтому и генетический код универсален.
Ученые полностью дорасшифровали его в 1965 г. Даже если исследователи получат клетки неизвестных ранее живых организмов, например, обитающих на больших глубинах или в неизведанных ранее пещерах, используя генетический код, они смогут расшифровать ДНК и определить, из какой последовательности аминокислот состоят белки этих организмов.
Неперекрываемость генетического кода – это свойство генов находиться в хромосоме последовательно один за другим и не перекрывать друг друга. Иначе говоря, каждый из нуклеотидов входит в состав только одного триплета и не может одновременно входить в состав двух соседних триплетов. Если, например, в гене закодировано 10 аминокислот, в его составе будут использованы 30 значимых нуклеотидов. Если же количество нуклеотидов в гене изменится, то поменяется и вся последовательность триплетов (см. § 25).
Напомним, что ген – это участок хромосомы (молекулы ДНК), в котором закодирован один белок. Гены разделяются стоп-кодонами – триплетами, не кодирующими аминокислоты, а указывающими на окончание одного гена и начало следующего. Чтобы клетка не соединила между собой последнюю аминокислоту одного белка с первой аминокислотой другого, необходимы стопкодоны. Из 64 комбинаций триплетов генетического кода 61 кодируют аминокислоты. Эти триплеты называются значимыми. А 3 триплета кодируют окончание «записи» белка и называются «знаками препинания», «точками», «запятыми» или просто стоп-кодонами. Назовем эти триплеты: АТТ, АТЦ, АЦТ в ДНК или УАА, УАГ, УГА в иРНК (табл. 2).
Триплет, кодон, антикодон. Итак, 3 нуклеотида в ДНК называются триплетом; комплементарные им 3 нуклеотида в иРНК называются кодоном, а 3 нуклеотида в тРНК, комплементарные кодону иРНК, называются антикодоном (рис. 6). Поэтому соответствие терминов логично представить в виде схемы:
ДНК → иРНК → тРНК → белок
Триплет → кодон → антикодон → аминокислота
Упрощая схему и опуская названия трех нуклеотидов, кодирующих аминокислоту, эта схема будет выглядеть как схема центральной догмы молекулярной биологии:
ДНК → РНК → белок.
Красным даны нуклеотиды ДНК, черным – нуклеотиды иРНК. Внутри таблицы красным цветом обозначены стоп-кодоны и инициаторный кодон метионин.
Рис. 6. Биосинтез белка
Генетический код, стоп-кодон, значимые триплеты, триплетность, кодон, антикодон, универсальность, вырожденность, неперекрываемость генетического кода.
Знание и понимание
1. Объясните, почему генетический код именно триплетен, а не диплетен или не тетраплетен.
2. Охарактеризуйте свойства генетического кода «вырожденность» и «неперекрываемость».
Применение
1. Сравните понятия кодон, триплет, антикодон и соотнесите их с различными типами нуклеиновых кислот в клетке.
2. Рассчитайте, сколько нуклеотидов в ДНК, если по ней синтезировался белок из 300 аминокислот. Учитывали ли вы стоп-кодоны? Как изменится ответ в зависимости от этого?
Анализ
Проанализируйте имеющиеся данные расшифровки генетического кода, представленные в таблицах параграфа. На их основе определите:
1) последовательность нуклеотидов ДНК, если белок состоит из:
а) Гли + Асп + Цис;
б) Иле + Фен + Лей;
в) Гли + Тре + Сер;
г) Вал + Глу + Тре;
д) Про + Фен + Арг
2) последовательность аминокислот, если в ДНК расположены нуклеотиды:
а) ГАА ТТТ;
б) ААГ ТЦТ;
в) ЦЦЦ ГТА;
г) ГГТ АГА;
д) ТГТ ААГ.
Синтез:
1. Смоделируйте ситуацию: «На планете Х в состав нуклеиновых кислот входит 5 типов нуклеотидов».
Как выглядит генетический код этой планеты при условии, что в состав их белков тоже входит 20 типов аминокислот? Какое максимальное число стоп-кодонов можно было бы предположить у этих инопланетян и почему?
2. Порассуждайте, если биосинтез белка проходил по мРНК (иРНК), содержащей 144 нуклеотида, то каков номер верного варианта. Учтены ли стоп-кодоны?
Оценка
Обсудите следующие факты:
1) Генетический код универсален у всех организмов – от слонов и баобабов до вирусов.
2) У некоторых вирусов наблюдается нарушение неперекрываемости генетического кода. То есть копирование определенных генов может происходить с середины одного до середины другого.
Заключение по разделу «Молекулярная биология и биохимия»
Антигены – синтезированные в чужих организмах вещества (белки, нуклеиновые кислоты), целые клетки или их части, ткани или даже органы (донорские). Для защиты организм вырабатывает специальные иммунные белки – антитела. Антитела строго специфичны и действуют обычно только против какого-то определенного антигена. Антитела, вырабатываемые особыми клетками крови В-лимфоцитами, которые также называют клетками иммунной памяти, способны биохимически «узнавать» антигены. Специфическая биохимическая реакция «склеивания» антител и антигенов в результате обезвреживания или разрушения последних называется реакцией антиген – антитело. Антиген и антитело подходят друг к другу как ключ к замку, т. е. большинство антител не взаимодействуют с иными агентами, кроме их антигена. Взаимодействие проходит по принципу совпадения «ключ – замок».
Важно понимать, что без антигена антитела активно не вырабатываются. Способность организма реагировать на появление антигенов выработкой антител составляет основу тканевого иммунитета, аллергических реакций и отторжения донорских тканей и органов.
В живых системах ферменты работают по тому же принципу биохимического взаимодействия «ключ – замок». Иначе говоря, ферменты – биологические катализаторы – «узнают» свой субстрат так же, как и антитела «узнают» свой антиген. Почти все химические реакции в клетках и организмах происходят с участием ферментов. То есть без катализаторов они либо вообще не происходят, либо происходят настолько медленно, что жизнь как процесс становится невозможной.
Ферменты – зачастую сложные белки, состоящие не только из аминокислот, но и иных компонентов. Деятельная часть молекулы-фермента – активный центр – может включать в себя витамины, металлы или иные вещества. Именно активный центр фермента взаимодействует с субстратом, узнает его и делает реакцию возможной.
Механизм ферментативной реакции состоит из нескольких стадий. Вначале фермент связывается с одним из двух веществ – участников химического взаимодействия. Затем образовавшийся фермент-субстратный комплекс вступает в реакцию с другим веществом, после чего фермент выходит из реакции, не израсходовав ни одной своей молекулы. Вещества, вовлеченные им в процесс, теперь уже взаимодействуют между собой. Сохранившийся в неизменном виде неизрасходованный фермент, образовавшийся продукт реакции и полное исчезновение молекул субстратов (исходных веществ) полностью подтверждают определение: «Катализаторы – это вещества, которые не расходуются в ходе реакции, но значительно ее ускоряют или вообще делают возможной».
Как правило, один фермент катализирует – контролирует только одну реакцию. Однако бывают и исключения (иногда возникающие в ходе изменения условий окружающей среды в процессе эволюции).Как правило, один фермент катализирует – контролирует только одну реакцию. Однако бывают и исключения (иногда возникающие в ходе изменения условий окружающей среды в процессе эволюции).5
Ферменты – белки, контролирующие направление всех биохимических процессов в клетке. Именно через синтез белков молекулы ДНК, из которых состоят хромосомы, реализуют наследственную информацию.
Наследственная информация – запись порядка аминокислот в белках организма – сохраняется в ДНК хромосом. Генетический код – это способ записи порядка аминокислот белков с помощью нуклеотидов ДНК.
4 типа нуклеотидов ДНК кодируют порядок 20 типов аминокислот. Каждую аминокислоту кодируют 3 нуклеотида. Участок ДНК с одним закодированным белком – ген. Гены разделяются стоп-кодонами.
Генетический код имеет следующие свойства:
– триплетность (3 нуклеотида кодируют одну аминокислоту);
– неперекрываемость (нуклеотиды в гене, как и гены в хромосоме, следуют поочередно и не перекрывают друг друга);
– вырожденность (1 аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом);
– однозначность6;
– универсальность (определенный триплет обозначает конкретную аминокислоту у любого организма).
Наследственную информацию, записанную в ДНК, реализуют разные виды РНК. Информационная, или матричная, РНК переписывает (копирует) информацию с ДНК и переносит ее в цитоплазму к рибосомам. Триплету ДНК комплементарен кодон иРНК.
Транспортная РНК приносит аминокислоты к иРНК и выстраивает их в нужной последовательности. Кодону иРНК комплементарен антикодон тРНК. Рибосомальная РНК (рРНК) в составе рибосомы соединяет аминокислоты в белок.
Процесс биосинтеза белка проходит в два этапа.
1. Транскрипция – процесс переписывания наследственной информации с ДНК на иРНК, т. е. синтез иРНК по матрице ДНК в ядре.
2. Трансляция – синтез полипептидной цепи на рибосоме, т. е. соединение различных аминокислот в том порядке, который записан в ДНК и скопирован в виде иРНК в цитоплазме.
5 Так важнейший фермент – рибулоза 1,5 бифосфаткарбоксилаза, катализирующий присоединение СО2 атмосферы в ходе первой реакции цикла Кальвина (темновая фаза фотосинтеза), как оказалось, может взаимодействовать не только с СО2, но и с О2. Это произошло, вероятно, потому, что, когда процесс фотосинтеза и его ферменты формировались в ходе эволюции, атмосфера почти не содержала кислорода. Сейчас же кислород, содержащийся в атмосфере в количестве 21%, способен вытеснять СО2 из активного центра фермента. Это создает очень энергетически затратный и вредный процесс – фотодыхание. Но некоторые растения научились с этим бороться – это группы САМ-метаболитов и С4-фотосинтетиков.
6 Свойство генетического кода, выражающееся в том, что 1 триплет кодирует только одну аминокислоту.