Тема 9. Организация генов. Сущность и основные свойства генетического кода

Организация генов. Принято считать, что каждая хроматида со­держит одну из двух идентичных дочерних молекул ДНК, образу­ющихся в процессе репликации. Молекула ДНК представляет со­бой непрерывную сверхскрученную двойную спираль, простираю­щуюся по всей длине хроматиды. Функционально эта нить подразделяется на большое число отрезков, соответствующих от­дельным генам. Каждый ген несет информацию о первичной струк­туре отдельной полипептидной цепи, рибосомной РНК, транспор­тной РНК или выполняет регуляторную функцию. Кроме того, в составе непрерывной нити ДНК, наряду со смысловыми генами, находятся многократно повторяющиеся участки, выполняющие, ве­роятно, регуляторные или структурные функции.

Информация о первичной структуре полипептидов (последова­тельности аминокислот) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (А, Т, Г, Ц). Каждой аминокис­лоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов.

Из 64 возможных триплетов 61 кодирует 20 аминокислот, обна­руженных в составе клеточных белков, а 3 кодона являются стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Если триплет, соответствующий метионину, стоит в начале цепи ДНК, то он выполняет функцию возбуждения считывания. Генетический код вырожден, т.е. каждая аминокислота может кодироваться не­сколькими вариантами триплетов. Для осуществления синтеза по­липептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции) по принципу комплементарности азотистых оснований на информа­ционную РНК, которая переходит из ядра в цитоплаз­му, где принимает участие в процессе трансляции — переводе ин­формации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т.е. процессе синтеза белка. Каждому данному кодону соответствует одна и толь­ко одна определенная аминокислота. Процесс считывания генети­ческого кода не допускает возможности перекрывания кодонов. На­чавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без знаков препинания и пропусков. Положение первого кодона опре­деляет границы рамки считывания. Генетический код человека не отличается по каким-либо параметрам от генетического кода дру­гих эукариотических организмов.

В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функционально различные еди­ницы. Отличительная черта строения многих генов эукариот — прерывистость структуры смысловой части.

Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке - экзоны, чередуются с участками некодирующих последо­вательностей - интронами.

Процесс транскрипции на ДНК как на матрице связан с синте­зом комплементарной последовательности РНК, включающей и интроны, и экзоны. В ходе созревания РНК в ядре из нее удаляют­ся интроны, а концы соседних экзонов сшиваются стык в стык. Про­цесс удаления последовательностей РНК, соответствующих интронам, и соединение участков с транскрибируемыми последователь­ностями экзонов называется сплайсингом. Созревшая м-РНК выходит в цитоплазму, соединяется с рибосомой, где генетическая информация транслируется в белковую последовательность.

В начале каждого гена (до представленной экзонами его смыс­ловой части) находятся участки, которые обеспечивают регуляцию работы гена, в частности, способствуют правильной установке рам­ки считывания нуклеотидов.

Каждая молекула ДНК гетерогенна по своему составу. В ней встречаются участки с уникальной последо­вательностью азотистых оснований, которые несут информацию для большинства белков клетки. В то же время в ней встречаются пос­ледовательности нуклеотидов, многократно повторяющиеся в геноме в составе этой же или других молекул ДНК. Их подразделяют на два класса. Первый - умеренно повторяющиеся последователь­ности с числом повторов от 10² до 10⁵ на геном. На их долю прихо­дится примерно четверть ДНК, и они представляют собой блоки истинных генов или выполняют структурные и регуляторные фун­кции внутри генов. Второй класс - часто повторяющиеся последо­вательности, или сателлитные ДНК, число повторов которых на геном превышает миллион (1•10⁶) раз. Это нетранскрибирующие­ся участки ДНК, выполняющие структурные функции.

Вопрос о том, каким образом кодируется наследственная информация, долгое время оставался открытым. Ранее была признана формулировка 1ген – 1 фенотипический признак, т.е. ген – материальная часть хромосомы, определяющая развитие признака. Постепенно понимание механизма детерминации расширилось: ген фермент

п ризнак, т.е. ген – участок молекулы ДНК, в которой зашифрована структура одного белка (фермента). Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г. Гамовым.

Ход рассуждений:

1. В белках встречается 20 различных аминокислот. В ДНК всего 4 типа нуклеотидов: А-Т- Г-Ц. Одна аминокислота не может кодироваться одним нуклеотидом, т. к. 16 из них останутся незакодированными.

2. Если одну аминокислоту кодировать двумя нуклеотидами (4²) - возможно 16 вариантов, следовательно, чтобы закодировать все аминокислоты — необходим триплетньт код — 3 нуклеотида, т. е. 4³ = 64 возможных триплета.

3. Аминокислот много (>100), но только 20 из них принимают участие в биосинтезе белка. 10 - заменимые (организм сам может их синтезировать), 10 — незаменимые (их надо получать с пищей). Необходимых для биосинтеза белка аминокислот всего 20, а триплетов 64 - почему такое несоответствие? Почти 10 лет понадобилось ученым, чтобы ответить на этот вопрос.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Ф.Крик и С. Бреннер доказали такие свойства кода как триплетность и вырожденность. Ф.Крик писал: «Генетический код устанавливает связь между двумя великими полимерными языками - языком нуклеиновых кислот и языком белков».

Ученые создали искусственную м-РНК, состоящую только из нуклеотидов, содержащих урацил /У-У-У-У-У/.С данной м-РНК была синтезирована полипептидная цепочка, состоящая из фенилаланина. Это сделали двое ученых - М. Миренберг и Г. Маттеи. Они доказали, что в ДНК комплементарная последовательность нуклеотидов должна была содержать / А-А-А-А-А / аденин.

Появилось научное определение:

Генетический код - это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидных триплетов, считываемых последовательно от 5'к 3' концу цепи м - РНК.

К 1965-1966 гг. был расшифрован весь генетический код и определены его свойства.

УУУ Фенилаланин УУА Лейцин

УУЦ УУГ

Одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами, которые являются кодонами-синонимами.