Понятие гена и генетического кода

Белки — важнейший компонент живой клетки, они составляют самую большую по массе часть органических веществ клетки и обеспечивают уникальность ее химического состава, структурной организации и функциональной активности.

Клетки каждого организма имеют свой специфический набор белков. Он отличается от набора белков, характерного для клеток другого организма.

Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, хранится в хромосомах, а именно в ДНК. Наследственная информация существует в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. наследственный генетический мендель Участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о первичной структуре одного белка, получил название ген. «Термин „ген“ (от греч. genos — рождение, образующий) предложил в 1909 г. датский биолог В. Иогансен (взамен ранее употребляемых понятий „наследственный зачаток“, „наследственный фактор“)» [10; c. 17].

Существует несколько определений понятия «ген», но наиболее приемлемое следующее. Ген — «элементарная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК, который содержит информацию о первичной структуре одного белка» [10; c. 17].

Гены в хромосомах расположены линейно. Одни из них кодируют белки, другие несут информацию о рРНК и тРНК.

Кроме того, есть гены, которые ничего не кодируют, а контролируют функцию других генов. Есть «молчащие» гены, функции которых не проявляются.

На сегодняшний день существует классификация генов [1; c. 59].

Структурные гены — гены, кодирующие синтез белков. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном.

Функциональные гены — гены, которые контролируют и направляют деятельность структурных генов.

Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин ©, тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода.

В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением нуклеотида, содержащего тимин, который заменён похожим нуклеотидом, содержащим урацил, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе).

В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а, следовательно, все его биологические свойства.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК).

Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов.

Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.

Благодаря специальным исследованиям было доказано, что нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и белок — универсальные определяющие факторы наследственности.

Впервые американский биохимик М. Ниренберг получил искусственно синтезированную РНК, состоящую сплошь из одинаковых нуклеотидов, содержащих только одно азотистое основание — урацил. При помещении ее в специальный аппарат был получен белок, образованный из одной аминокислоты — фенилаланина. В результате был сделан вывод, что цепочка, состоящая из последовательности нуклеотидов, которые содержат только азотистое основание урацил, определяет синтез молекулы белка, образованной только молекулами аминокислоты фенилаланина. Вскоре удалось найти сочетания нуклеотидов, кодирующих все 20 аминокислот, и расшифровать так называемый генетический код.

Генетический код — «это определенная система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов» [8; c. 43]. Сущность генетического кода заключается в том, что каждой аминокислоте в белковой молекуле соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов — триплет (или кодон).

Вспомним, что каждая из двух цепей молекулы ДНК построена из нуклеотидов четырех типов, в состав которых входят четыре разных азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь.

Названия нуклеотидов условно обозначают начальными буквами соответствующих азотистых оснований. С помощью этого четырехбуквенного алфавита «записывается» вся информация о множестве различных белковых молекул.

В состав белков входят 20 различных аминокислот. Информацию о молекуле белка можно рассматривать как информацию о последовательности аминокислот. Будем рассуждать так: если бы каждая аминокислота кодировалась одним нуклеотидом с определенным азотистым основанием, то молекулы белка содержали бы не 20 различных аминокислот, а только 4. Если бы одну аминокислоту кодировали два рядом стоящих нуклеотида, то таким кодом можно было бы закодировать лишь 16 аминокислот. И только код, состоящий из трех рядом расположенных нуклеотидов, с избытком может обеспечить запись информации обо всех 20 аминокислотах. Такой код состоит из 64 различных триплетов.

Итак, каждый из триплетов соответствует строго определенной аминокислоте.

М. Ниренберг синтезировал и испытал все 64 теоретически возможных триплета и установил их значение (рис. 1). «Оказалось, что есть аминокислоты, которые кодируются 6 триплетами (например, лейцин), имеются также 5 аминокислот, каждая из которых кодируется 4 различными кодонами (например, аминокислота аланин кодируется триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ). Из 64 триплетов аминокислоты кодирует только 61 триплет. Три кодона (УАА, УАГ и УГА) не несут информации об аминокислотах» [9; c. 107].

Эти кодоны называют стоп-кодонами, так как они служат сигналами окончания сборки белковой молекулы в рибосоме (см. рис. 1).

Так, ген — элементарная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК, который содержит информацию о первичной структуре одного белка. Генетический код — это определенная система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.