Система, по которой последовательность нуклеотидов в ДНК и РНК задает порядок аминокислот в белках, называется генетическим кодом. Разбираемся в его особенностях, устройстве, главных свойствах и способе «перевода» нуклеотидов в аминокислоты.
Главное о генетическом коде
Собрали в одном разделе ключевую информацию.
1. Генетический код — это система записи наследственной информации в ДНК и РНК, где последовательность нуклеотидов определяет порядок аминокислот в белках.
2. ДНК состоит из четырех нуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), а в РНК вместо тимина присутствует урацил (У).
3. Генетический код переводит «четырехбуквенный» язык нуклеиновых кислот на «двадцатибуквенный» язык белков, состоящих из 20 аминокислот.
4. Свойства генетического кода:
триплетность;
вырожденность;
однозначность;
неперекрываемость;
универсальность;
непрерывность;
полярность.
5. Нуклеотиды не превращаются непосредственно в аминокислоты. Генетическая информация передается в несколько этапов: репликация, транскрипция, трансляция.
6. По таблице генетического кода можно найти соответствие между кодонами и кодируемыми ими аминокислотами.
7. Важно отличать генетический код от генома. Генетический код всех живых организмов одинаков. Но в геноме человека функциональна не вся ДНК — примерно 1% кодирует белки.
Что такое генетический код
Генетический код — это система записи наследственной информации в молекулах ДНК и РНК, где последовательность нуклеотидов определяет порядок аминокислот в белках.
Вся информация о строении белков закодирована в ДНК и РНК в виде цепочек нуклеотидов. Молекула ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов:
аденина (А);
тимина (Т);
гуанина (Г);
цитозина (Ц).
В РНК вместо тимина присутствует урацил (У).
Белки же строятся из 20 различных аминокислот. Генетический код необходим для перевода с «четырехбуквенного» языка нуклеиновых кислот на «двадцатибуквенный» язык белков.
Свойства генетического кода
Рассмотрим ключевые свойства, которые позволяют всего четырем нуклеотидам кодировать все разнообразие белков.
Триплетность
Каждая аминокислота кодируется одним кодоном — последовательностью из трех нуклеотидов. Моноплетный (один нуклеотид) или дуплетный (два нуклеотида) код не подошли бы — они позволяют закодировать лишь четыре и 16 вариантов соответственно, что меньше требуемых 20 аминокислот. Триплетный же код дает 64 комбинации, что покрывает все аминокислоты.
Вырожденность
61 из 64 кодонов кодируют 20 аминокислот, причем большинству из них соответствует несколько синонимичных кодонов. Например, лейцин кодируется шестью триплетами (УУА, УУГ и др.), а валин — четырьмя, тогда как метионин и триптофан имеют по одному кодону. Такая избыточность защищает организм от последствий мутаций: замена нуклеотида в кодоне с высокой вероятностью не изменит кодируемую аминокислоту. Оставшиеся три кодона из 64 — это стоп-сигналы, которые завершают синтез белка.
Однозначность
Каждый кодон кодирует строго одну аминокислоту. Однако большинство аминокислот могут кодироваться несколькими разными кодонами, что отражает свойство вырожденности генетического кода. Код однозначен в направлении «кодон → аминокислота», но вырожден в направлении «аминокислота → кодон».
Неперекрываемость
Каждый нуклеотид входит в состав только одного кодона. Соседние триплеты располагаются строго последовательно: первый нуклеотид следующего кодона всегда следует сразу за третьим нуклеотидом предыдущего. Это означает, что нуклеотиды не могут быть общими для соседних триплетов, и кодон никогда не начинается со второго или третьего нуклеотида предшествующего триплета.
Универсальность
У подавляющего большинства организмов один и тот же генетический код. Это подтверждает их общее эволюционное происхождение. То есть один и тот же триплет в разных организмах кодирует одну и ту же аминокислоту. Поэтому возможен перенос генов между разными видами с сохранением их функциональности. Например, с помощью методов генетической инженерии можно производить человеческие белки (например, инсулин) в бактериальных клетках. Однако есть и исключения — у митохондрий, некоторых инфузорий и бактерий обнаружены незначительные вариации генетического кода.
Непрерывность
Внутри гена отсутствуют какие-либо «знаки препинания» — триплеты расположены строго друг за другом без разделителей. Правильное считывание генетической информации возможно только при точном старте с определенного нуклеотида, поскольку рамка считывания задается начальной точкой.
Полярность
Считывание генетической информации происходит упорядоченно: каждый ген имеет стартовые кодоны и стоп-кодоны. Они определяют начало и конец считывания в строго заданном направлении.
Таблица генетического кода: как нуклеотиды превращаются в аминокислоты
Механизм преобразования нуклеотидов в аминокислоты позволяет клеткам производить белки строго определенного состава. Вместе с Даяной Эрдынеевой, лаборантом-исследователем Научно-исследовательского института общей патологии и патофизиологии, разберемся в этом процессе чуть подробнее:
— Сами нуклеотиды не превращаются непосредственно в аминокислоты. Существует хронологическая цепочка: ДНК — РНК — белок. Генетическая информация передается в несколько этапов.
1. Репликация. Это процесс копирования ДНК, обеспечивающий передачу генетического материала вновь образующимся дочерним клеткам.
2. Транскрипция. Информация с ДНК в ядре клетки считывается особыми ферментами, которые строят на основе полученных данных матричную РНК (мРНК). После определенных преобразований мРНК транспортируется из ядра в цитоплазму, попадая к особым органоидам — рибосомам.
3. Трансляция. Рибосомы считывают информацию с мРНК триплетами, и на основе этого специальные транспортеры (транспортные РНК) доставляют подходящую аминокислоту в цепочку строящегося белка.
Как определить последовательность белка по ДНК
Белок — это цепочка аминокислот, а порядок их соединения закодирован в ДНК. Ген — это участок ДНК, который содержит инструкции для сборки одного белка. Каждый кодон в гене и комплементарный ему кодон в РНК соответствует одной аминокислоте. Например, кодон АУГ кодирует аминокислоту метионин, а УУУ — фенилаланин.
Ген состоит не только из кодонов. Чтобы определить последовательность белка, сначала нужно найти в гене те участки, которые кодируют белок, и установить их нуклеотидную последовательность. Затем с помощью таблицы генетического кода каждый кодон переводят в соответствующую аминокислоту.
Особенности генетического кода у человека
Генетический код считается универсальным для всех живых организмов за некоторыми исключениями. Но важно отличать его от генома.
В геноме человека функциональна не вся ДНК — лишь 1% кодирует белки. Эта часть называется экзомом.
— Остальная часть генома считалась «мусором». Но на самом деле это не совсем так: эта часть не кодирует белки непосредственно, но может влиять на их синтез, — уточняет эксперт.
Генетический код человека в течение жизни остается практически неизменным. Серьезные изменения в ДНК (мутации) обычно либо исправляются самими клетками, либо приводят к проблемам — например, к раку.
Но есть такой механизм наследственности, как эпигенетика. Он регулирует активность генов с помощью специальных химических меток. Самый известный способ — метилирование цитозина (одной из «букв» ДНК).
— Нарушение этого процесса может привести как к наследственным заболеваниям (например, болезни геномного импринтинга), так и к развитию других многофакторных заболеваний. Например, рака и других патологий, которые проявляются в течение жизни, — объясняет Даяна Эрдынеева.
Мнение эксперта
Спросили у Даяны Эрдынеевой, какие направления в биологии сейчас представляют наибольший интерес:
— Мультиомиксные исследования очень актуальны, так как могут дать много информации, в том числе и об особенностях генетического кода организма или клетки. Именно поэтому сейчас очень востребованы биоинформатики, которые помогают анализировать огромный пул данных о генетическом коде. Также актуальны специалисты, которые разбираются в конформации (форме) белка, взаимодействии белков друг с другом или другими веществами. Это особенно важно в разработке новых лекарств.