Вираженність генетичного коду: загальні відомості

Генетичний код, виражений в кодонах, це система кодування інформації про будову білків, притаманна всім живим організмам планети. Його розшифровка зайняла десятиліття, а ось те, що він існує, наука розуміла майже століття. Універсальність, специфічність, односпрямованість, а особливо вирожденность генетичного коду мають важливе біологічне значення.

Історія відкриттів

Проблема кодування генетичної інформації завжди була ключовою в біології. До матричному будовою генетичного коду наука просувалася досить неспішно. З моменту виявлення Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 році подвійної спіральної структури ДНК почався етап розгадування самої структури коду, який спонукав віру у велич природи. Лінійна структура білків і така ж структура ДНК передбачала наявність генетичного коду як відповідності двох текстів, але записаних за допомогою різних алфавітів. І якщо алфавіт білків був відомий, то знаки ДНК стали предметом вивчення біологів, фізиків і математиків.


Немає сенсу описувати всі кроки у вирішенні цієї загадки. Прямий експеримент, що довів і підтвердив, що між кодонами ДНК та амінокислотами білка існує чітка і послідовна співвідповідальність, провели в 1964 році Ч. Яновський та С. Бреннер. А далі – період розшифровки генетичного коду in vitro (у пробірці) з використанням технік синтезу білка в бесклеточних структурах. Повністю розшифрований код E. Coli був оприлюднений у 1966 році на симпозіумі біологів в Колд-Спрінг-Харборі (США). Тоді й відкрилася надмірність (вирожденность) генетичного коду. Що це значить, пояснилося досить просто.

Розкодування триває

Отримання даних про розшифровці спадкового коду стало одним з найбільш значних подій минулого століття. Сьогодні наука продовжує поглиблено дослідити механізми молекулярних кодувань і його системних особливостей і надлишку знаків, у чому виражається властивість виродженість генетичного коду. Окрема галузь вивчення – виникнення та еволюціонування системи кодування спадкового матеріалу. Докази зв'язку полінуклеотидів (ДНК) і поліпептидів (білки) дали поштовх розвитку молекулярної біології. А та, в свою чергу, біотехнології, біоінженерії, відкриттів в селекції і рослинництві.

Догми і правила

Головна догма молекулярної біології – інформація передається з ДНК на інформаційну РНК, а після неї на білок. У зворотному напрямку передача можлива з РНК на ДНК і з РНК на іншу РНК. Але матрицею або основою завжди залишається ДНК. І всі інші фундаментальні особливості передачі інформації - це відображення цього матричного характеру передачі. А саме передачі шляхом здійснення синтезу на матриці інших молекул, які і стануть структурою відтворення спадкової інформації.

Генетичний код

Лінійне кодування структури білкових молекул здійснюється за допомогою комплементарних кодонов (триплети) нуклеотидів, яких всього 4 (адеин, гуанін, цитозин, тимін (урацил)), що спонтанно призводить до утворення іншого ланцюжка нуклеотидів. Однакове число і хімічна компліментарність нуклеотидів – це головна умова такого синтезу. Але при утворенні білкової молекули якості відповідності кількості і якості мономерів немає (нуклеотиди ДНК – амінокислоти білка). Це і є природний спадковий код – система запису в послідовності нуклеотидів (кодонах) послідовності амінокислот у білку.
Генетичний код володіє декількома властивостями:

Триплетність.

Однозначність.

Спрямованість.

Неперекриваемость.

Надмірність (вирожденность) генетичного коду.

Універсальність.

Наведемо коротку характеристику, концентруючи увагу на біологічному значенні.

Триплетність, безперервність і наявність стоп-сигналів

Кожній з 61 амінокислоти відповідає один смисловий триплет (трійка) нуклеотидів. Три трійки не несуть інформацію про амінокислоти та є стоп-кодонами. Кожен нуклеотид в ланцюжку входить до складу трійки, а не існує сам по собі. В кінці і на початку ланцюжка нуклеотидів, що відповідають за один білок, знаходяться стоп-кодони. Вони запускають або зупиняють трансляцію (синтез білкової молекули).

Специфічність, неперекриваемость і односпрямованість

Кожен кодон (триплет) кодує тільки одну амінокислоту. Кожен триплет не залежить від сусіднього і не перекривається. Один нуклеотид може входити тільки в один триплет в ланцюжку. Синтез білка йде завжди тільки в одному напрямку, що регулюють стоп-кодони.

Надмірність генетичного коду

Кожен триплет нуклеотидів кодує одну амінокислоту. Всього 64 нуклеотиду, з них 61 – кодують амінокислоти (смислові кодони), а три – безглузді, тобто не кодують амінокислоту (стоп-кодони). Надмірність (вирожденность) генетичного коду полягає в тому, що в кожному триплете можуть бути зроблені заміни – радикальні (призводять до заміни амінокислоти) і консервативні (не змінюють клас амінокислоти). Легко порахувати, що якщо в триплете можна провести 9 замін (1 2 і 3 позиція), кожен нуклеотид можна замінити на 4 - 1 = 3 інші варіанти, то загальна кількість можливих варіантів замін нуклеотиду 61 по 9 = 549.
Вираженність генетичного коду проявляється в тому, що 549 варіантів - це набагато більше, ніж необхідно для закодировки інформації про 21 амінокислоти. При цьому 549 варіантів 23 заміни призведуть до утворення стоп-кодонов, 134 + 230 заміни консервативні, і 162 заміни – радикальні.

Правило виродженість і виключення

Якщо два кодона мають два однакових перших нуклеотиду, а решта представлені нуклеотидами одного класу (пуринові або пиримидиновие), то вони несуть інформацію про однієї і тієї ж амінокислоти. Це і є правило виродженість або надмірність генетичного коду. Два винятки – АУА і УГА – перший кодує метіонін, хоча повинен був би ізолейцин, а другий – стоп-кодон, хоча повинен був би кодувати триптофан.

Значення виродженість і універсальності

Саме ці дві властивості генетичного коду мають найбільше біологічне значення. Всі властивості, перераховані вище, характерні для спадкової інформації всіх форм живих організмів на нашій планеті. Вираженність генетичного коду має приспособительное значення, як багаторазове дублювання коду однієї амінокислоти. Крім того, це означає зниження значимості (виродження) третього нуклеотиду в кодоне. Такий варіант зводить до мінімуму мутаційні пошкодження в ДНК, які спричинять за собою грубі порушення в структурі білка. Це захисний механізм живих організмів планети.