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, 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.