Генетический код: триплетность, вырожденность и расшифровка

Генетический код — основной механизм передачи наследственной информации между поколениями живых организмов. Он представляет собой систему преобразования последовательностей особых химических соединений (нуклеотидов) ДНК в последовательность аминокислот, формирующих белки организма. В этой статье рассмотрим базовые особенности стандартного генетического кода.

Свойства генетического кода

Основа жизнедеятельности любой живой клетки — белки. Они выполняют множество функций: от формирования структурных компонентов клетки до управления скоростью протекания биохимических реакций. Синтез необходимых клетке белков происходит за счет преобразования информации, закодированной в ДНК, в последовательность аминокислот, образующих белок.

Правила, по которым происходит синтез белка, представляют собой генетический код. Он обеспечивает возможность произвести именно тот белок, который необходим клетке.

К основным свойствам генетического кода относятся:

• коллинеарность;
• триплетность (триадичность);
• вырожденность;
• неперекрываемость;
• универсальность.

Кратко охарактеризуем перечисленные свойства генетического кода.

Коллинеарность (линейность)

Это свойство генетического кода устанавливает соответствие между последовательностью нуклеотидов в ДНК и последовательностью аминокислот в синтезируемом белке. Благодаря коллинеарности, каждая элементарная единица наследственности, кодирующая структуру белков (ген), передается последовательно, без сдвигов или промежутков.

Если гены содержат некодирующие участки (интроны), то они вырезаются. При этом последовательность кодирующих участков (экзонов) не нарушается, что сохраняет коллинеарность передачи информации.

В некоторых случаях происходит замена нуклеотидов, и последовательность аминокислот в синтезируемом белке изменяется. Но в целом коллинеарность гена все равно будет сохраняться.

Если происходит перестановка экзонов, то изменяется порядок следования аминокислот в полипептидной цепи белка. Это происходит в результате мутаций.

Коллинеарность минимизирует вероятность ошибок при передаче генетической информации и обеспечивает определенные эволюционные преимущества. Благодаря ей, ключевые элементы, регулирующие синтез белка, эффективно влияют на экспрессию генов, то есть на преобразование последовательности нуклеотидов ДНК в белок или РНК. Поэтому организм получает возможность синтезировать нужные ему количества белков определенного типа.

Триплетность

Это одно из важнейших свойств, которыми обладает генетический код. Триплетность означает, что информация о каждой аминокислоте, входящей в состав синтезируемых организмом белков, кодируется тремя нуклеотидами. Такая тройка нуклеотидов образует кодон.

В состав каждого нуклеотида, из которых строятся ДНК и РНК, могут входить 4 вида азотистых оснований: А (аденин), С (цитозин), Т (тимин), G (гуанин). Из этого набора возможно составить 4³ = 64 различных кодона. Этого вполне достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот, которые используются для построения белков.

Триплетность хорошо защищает от ошибок при передаче генетической информации, что делает ее одним из важнейших свойств генетического кода. Триплетная трансляция генетической информации складывается из следующих шагов:

• Транскрипция. Фермент РНК-полимераза «считывает» последовательность нуклеотидов в ДНК и синтезирует соответствующую молекулу РНК.
• Сплайсинг. Этот процесс характерен для эукариотических клеток, имеющих ядро. В результате некодирующие участки удаляются, а кодирующие — соединяются. При этом триплетность не нарушается.
• Трансляция. Рибосома считывает нуклеотиды, собранные в кодоны. Каждому кодону сопоставляется соответствующая аминокислота, которая добавляется к молекуле синтезируемого белка.

Синтез белка начинается со стартового кодона и заканчивается при достижении стоп-кодона.

Вырожденность и однозначность

Использующийся набор азотистых оснований, образующих нуклеотиды, позволяет создать 64 кодона. Это приводит к тому, что некоторые аминокислоты (для построения белка нужно всего 20 видов) кодируются несколькими различными комбинациями, содержащими три нуклеотида. Так возникает вырожденность генетического кода. Например, такая аминокислота как лейцин кодируется шестью различными кодонами.

Считается, что вырожденность приводит к повышению сопротивляемости мутациям. Если из-за мутации в кодоне произошла замена нуклеотида, то велика вероятность, что белок все равно получит правильную аминокислоту. Таких равносильных замен одного нуклеотида на другой может быть несколько как в митохондриальном геноме, так и в ядерном.

Вырожденность обеспечивает еще одно преимущество — увеличивается скорость трансляции, так как клетка получает возможность использовать различные транспортные РНК.

Наличие вырожденности не мешает генетическому коду сохранять свою однозначность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими кодонами, но каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.

Знаки препинания

Генетический код — это своеобразная инструкция для синтеза белка. Ключевая информация о составе записывается в ДНК с помощью кодонов —участков, содержащих 3 нуклеотида. Клетка имеет особый механизм для считывания этой информации. При этом возникают вопросы: по каким правилам определяется начало и конец каждого белка? Как кодон одной аминокислоты отделяется от другого? Что в этом случае служит «знаками препинания»?

Ответы на них были получены в середине прошлого века в ходе экспериментов, проведенных Фрэнсисом Криком и Сиднеем Бреннером. Ученые предположили, что в генетическом коде содержатся указатели, сообщающие клетке, когда следует начинать и прекращать синтез белка.

Одним из первых важнейших открытий стало обнаружение того, что три нуклеотида, образующие группу, кодируют только одну аминокислоту. Это позволило предположить существование «рамки считывания». Гипотеза была подтверждена с помощью бактериофага Т4, инфицирующего бактерии Escherichia coli и вызывающего мутации. Оказалось, что вставка или удаление одного нуклеотида сдвигает рамку считывания. Сдвиги рамки приводят к появлению серьезных искажений в синтезируемых белках.

Следующим важным открытием стали стоп-кодоны. Это особые группы, включающие в себя 3 нуклеотида, которые подают сигнал к окончанию синтеза белка.

Затем были открыты старт-кодоны. Они также включают в себя по 3 нуклеотида и подают сигнал к началу синтеза. При этом замены какого-либо нуклеотида в этих кодонах приводят к нарушениям функционирования клетки.

Таким образом, Крик и Бреннер доказали, что генетический код не только содержит кодоны аминокислот, но еще и специальные «знаки препинания», управляющие трансляцией.

Неперекрываемость

Нуклеотиды, следуя друг за другом в ДНК, образуют группы, кодирующие конкретные аминокислоты. При этом каждый такой кодон четко отделен от другого. Перекрытий между ними не существует, что обеспечивает точность трансляции.

Генетический код устроен таким образом, что рибосома после считывания кодона перемещается ровно на три нуклеотида вперед. Это позволяет безошибочно прочитать следующий кодон и построить следующую аминокислоту.

Если бы генетический код допускал перекрытия, то одна и та же последовательность кодировала бы разные аминокислоты и белки.

Неперекрываемость — это общее правило, но из него есть исключения. Так, некоторые вирусы и бактерии имеют перекрывающиеся гены. Это нарушение помогает экономить пространство в геноме, что очень важно для такого малого объекта, как вирус. При этом правильность работы генетического аппарата поддерживается специальными структурами.

Универсальность

Несмотря на поразительное разнообразие живых организмов и вирусов, конкретный нуклеотидный триплет кодирует единственную аминокислоту вне зависимости от вида самого организма. Например, кодон AUG всегда соответствует метионину, будь то бактериальная, растительная или человеческая клетка.

Исключения из универсальности встречаются в митохондриальном геноме, но и такие отклонения крайне редки.

Интересно отметить, что митохондриальный геном несколько отличается от ядерного. Эти отличия обусловлены эволюционными изменениями, вызванными адаптацией митохондрий к существованию внутри клетки. При этом основные принципы генетического кода одинаковы для обоих геномов.

Расшифровка кода

Открытие кода и его расшифровка относятся к важнейшим достижениям науки прошлого века. Расшифровка не только углубила понимание биологических процессов, но также позволила создавать принципиально новые технологии. Благодаря ей, появилась возможность исправлять дефектные гены, создавать генно-модифицированные организмы, производить новые лекарственные препараты.

Заключение

Генетический код — это основа жизни на Земле. Его свойства обеспечивают высокую надежность при передаче генетической информации. Тем не менее, система остается гибкой и может подстраиваться под изменяющиеся внешние условия. Это делает код уникальным инструментом, позволяющим организмам сохранять свою генетическую информацию и одновременно с этим эволюционировать.