Виродженість генетичного коду: загальні відомості

Виродженість 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 виродженість генетичного коду мають важливе біологічне значення.

Історія відкриттів

Проблема кодування генетичної інформації завжди була ключовою в біології. До матричної будови генетичного коду наука просувалася досить неспішно. З моменту виявлення Дж.Уотсоном і Ф. Криком у 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, який довів і підтвердив, що між кодонами ДНК і амінокислотами білка існує чітка і послідовна відповідність, провели в 1964 році Ч. Яновські і С. Бреннер. А далі - період розшифровки генетичного коду in vitro (у пробірці) з використанням технік синтезу білка в безклітинних структурах.

Повністю розшифрований код E. Coli оприлюднили 1966 року на симпозіумі біологів у Колд-Спрінг-Харборі (США). Тоді і відкрилася надмірність (виродженість) генетичного коду. Що це означає, пояснилося досить просто.

Розкодування триває

Отримання даних про розшифровку спадкового коду стало однією з найбільш значних подій минулого століття. Сьогодні наука продовжує поглиблено досліджувати механізми молекулярних кодувань і його системних особливостей і надлишку знаків, у чому виражається властивість виродженості генетичного коду. Окрема галузь вивчення - виникнення та еволюціонування системи кодування спадкового матеріалу. Докази зв'язку полинуклеотидів (ДНК) і поліпептидів (білки) дали поштовх розвитку молекулярної біології. А та, в свою чергу, біотехнологіям, біоінженерії, відкриттям у селекції та рослинництві.

Догми і правила

Головна догма молекулярної біології - інформація передається з ДНК на інформаційну РНК, а після з 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 кодонів (триплетів) нуклеотидів, яких всього 4 (адеїн, 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 (ДНК нуклеотиди - амінокислоти білка). Це і є природний спадковий код - система запису в послідовності нуклеотидів (кодонах) послідовності амінокислот у білці.

Генетичний код має декілька властивостей:

  • Триплітковість.
  • Однозначність.
  • Спрямованість.
  • Неперекриваність.
  • Надмірність (виродженість) генетичного коду.
  • Універсальність.

Наведемо коротку характеристику, концентруючи увагу на біологічному значенні.

Триплітковість, безперервність і наявність стоп-сигналів

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

Специфічність, неперекриваність 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 у ланцюжку. Синтез білка йде завжди тільки в одному напрямку, що регулюють стоп-кодони.

Надмірність генетичного коду

Кожен триплет нуклеотидів кодує одну амінокислоту. Всього 64 нуклеотиди, з них 61 - кодують амінокислоти (смислові кодони), а три - безглузді, тобто амінокислоту не кодують (стоп-кодони). Надмірність (виродженість) генетичного коду полягає в тому, що в кожному триплеті можуть бути зроблені заміни - радикальні (призводять до заміни амінокислоти) і консервативні (не змінюють клас амінокислоти). Легко порахувати, що якщо в триплеті можна провести 9 замін (1, 2 і 3 позиція), кожен нуклеотид можна замінити на 4 - 1 = 3 інших варіанти, то загальна кількість можливих варіантів замін нуклеотиду буде 61 по 9 = 549.

Виродженість генетичного коду проявляється в тому, що 549 варіантів - це набагато більше, ніж необхідно для закодування інформації про 21 амінокислоту. При цьому з 549 варіантів 23 заміни призведуть до утворення стоп-кодонів, 134 + 230 заміни - консервативні, і 162 заміни - радикальні.

Правило виродженості та виключення

Якщо два кодони мають два однакових перших нуклеотиди, а ті, що залишилися, представлені нуклеотидами одного класу (пуринові або піримідинові), то вони несуть інформацію про одну і ту ж амінокислоту. Це і є правило виродженості або надмірності генетичного коду. Два винятки - АУА і УГА - перший кодує метіонін, хоча мав би ізолейцин, а другий - стоп-кодон, хоча мав би кодувати триптофан.

Значення виродженості та універсальності

Саме ці дві властивості генетичного коду мають найбільше біологічне значення. Всі властивості, перелічені вище, характерні для спадкової інформації всіх форм живих організмів на нашій планеті.

Виродженість генетичного коду має пристосувальне значення, як багаторазове дублювання коду однієї амінокислоти. Крім того, це означає зниження значущості (виродження) третього нуклеотиду в кодоні. Такий варіант зводить до мінімуму мутаційні пошкодження в ДНК, які спричинять за собою грубі порушення в структурі білка. Це захисний механізм живих організмів планети.



Матеріали по темі