Что такое ген? Какую информацию несет ген?
Понятие «ген». 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. 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»).
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.
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.
Генетическим код. 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. 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 (см. § 5).
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 (4 2 ). И только код, состоящий из трех рядом расположенных нуклеотидов, с избытком может обеспечить запись информации обо всех 20 аминокислотах (4 3 — 64). 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. 15). 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. Эти кодоны называют стоп-кодонами, так как они служат сигналами окончания сборки белковой молекулы в рибосоме (см. рис. 15).
Рис. 15. Таблица генетического кода Свойства генетического кода. Для генетического кода характерны определенные свойства.
Триплетность, т. е. код триплетен. Это означает, что число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, равно 3.
Избыточность (или вырожденность). Это свойство заключается в том, что одна и та же аминокислота может быть закодирована несколькими разными триплетами, поскольку аминокислот 20, а триплетов 64 (только 3 из них являются стоп-кодаками). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Избыточность кода снижает вероятность ошибки и обеспечивает надежность функционирования кода.
Однозначность. Согласно названному свойству каждому триплету соответствует только одна определенная аминокислота.
Колинеарность. Колинеарность означает, что последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
Неперекрываемость. Это свойство проявляется в том, что определенный нуклеотид может входить в состав только одного кодона, а генетический код «читается» с определенного знака. Например, последовательность нуклеотидов ААГТГЦГГА можно прочитать лишь как последовательность трех следующих друг за другом триплетов: ААГ – ТГЦ – ГГА.
Универсальность означает общность генетического кода для всех живых организмов, независимо от уровня их организации и систематического положения.
Универсальность генетического кода – одно из наиболее убедительных доказательств общности происхождения всей живой природы.
Существуют бессмысленные триплеты (или стоп-кодоны), не кодирующие аминокислоты. Они указывают на начало и конец синтеза белка.
Вопросы и задания
- Какую информацию несет ген?
- Где расположен ген? Можно ли сказать, что ген – это участок хромосомы?
- Что означает генетический код? В чем заключается сущность генетического кода?
- Что называется триплетом (кодоном)?
- Какие триплеты называются стоп-кодонами?
- Какими свойствами характеризуется генетический код?
- Дайте обоснование суждению: «Генетический код служит доказательством единства и родства всего органического мира».
