Гены и ДНК
Способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации связана с генетической информацией.
Гены — наследственные факторы, представляющие собой определенный набор последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в которых хранится информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом. Носителями наследственной информации являются хромосомы, состоящие из молекул ДНК.
Долгое время ученые считали, что передача генетической информации осуществляется белками, так как это единственные вещества, обладающие структурным разнообразием. Многочисленные исследования бактерий и вирусов показывали несостоятельность этой теории.
Открытая Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двойная спираль молекулы ДНК привлекла к себе пристальное внимание ученых. Были высказаны предположения, что две цепи ДНК способны раскручиваться и служить матрицей для синтеза новых молекул. Модель Уотсона и Крика помогла сформулировать общие принципы процесса передачи генетической информации от клетки к клетке, от организма к организму.
Генетический код
Специфичность каждой клетки определяется набором белков. Они составляют половину всей массы клетки, выполняют разнообразные и многочисленные функции, обеспечивают рост, развитие, дифференциацию клеток, поддержание их структуры и функций.
Вся многочисленная наследственная информация записана на ДНК в виде линейной последовательности четырех типов нуклеотидов — аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц). Генетическая информация записана четырехбуквенным алфавитом. Последовательность нуклеотидов на ДНК определяет соответствующее информационное содержание. Число различных последовательностей в молекуле ДНК составляет 4n, где п — это число нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК. Величина п очень велика. Так, например, ДНК в клетке животного обычно содержит 3 · 109 нуклеотидов. Как же клетка осуществляет перевод последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность аминокислот белка?
Правила перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называются генетическим кодом. Он был расшифрован в 60-х гг. XX в.
В результате ряда экспериментов и математических расчетов было определено, что одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Всего в молекуле ДНК встречаются 4 типа нуклеотидов. Если бы аминокислоте соответствовал один нуклеотид, то закодировать можно было бы только 4 аминокислоты. Но этого мало, так как в клетке имеется 20 аминокислот. Если предположить, что одна аминокислота кодируется сочетанием из двух нуклеотидов, то 42 = 16, т. е. можно закодировать 16 аминокислот. Тогда 4 аминокислоты не имеют шансов попасть в белок. Следовательно, одну аминокислоту кодируют три нуклеотида: 43 = 64.
64 кодов с избытком хватает для 20 аминокислот. В этом случае каждая аминокислота кодируется не одним, а, возможно, несколькими кодами. Экспериментальная проверка подтвердила высказанные предположения. В результате многочисленных исследований были установлены следующие свойства генетического кода.
1. Код триплетен — каждой аминокислоте соответствует сочетание из трех нуклеотидов. Всего таких сочетаний — кодонов 64. Из них 61 кодон смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кодона — бессмысленные стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.
2. Код однозначен — каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.
3. Код вырожден — каждая аминокислота имеет более чем один кодон. Например, аминокислота глицин имеет 4 кодона: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Чаще аминокислоты имеют 2 кодона.
4. Код универсален — все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.
5. Код непрерывен — между кодами нет промежутков.
6. Код неперекрываем — конечный нуклеотид одного кодона не может служить началом другого.
Таблица генетического кода
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Объясните последовательность передачи генетической информации: ген — белок — признак.
2. Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Как закодирована эта структура в молекуле ДНК?
3. Что представляет собой генетический код?
4. Охарактеризуйте свойства генетического кода.