Основные свойства и шифр генетического кода

Многообразие живых организмов на планете Земля обуславливается наличием огромного количества разных белковых соединений. Специфичность устройства белков определена числом и порядком расположения разных аминокарбоновых кислот, которые входят в их составы. А последовательность аминокислот, представляющих состав пептида, шифруется в ДНК биологическим или генетическим кодом.

Оглавление:

• Способы кодирования
• Коллинеарность или линейность
• Свойство триплетности
• Однозначность и вырожденность
• Неперекрываемость и универсальность

Способы кодирования

Шифрование аминокарбоновых кислот в биологии осуществляется нуклеотидами — полимерами, являющимися составной частью ДНК и РНК (нуклеиновых кислот). В ДНК нуклеотиды по отдельности могут входить в состав одного из азотистых оснований:

1. Аденина.
2. Гуанина.
3. Цитозина.
4. Тимина.

Если взять РНК, тимин будет заменён урацилом.

Обозначения азотистых оснований кратко записываются в виде заглавных букв их названий как в русском, так и английском вариантах:

1. А, en: A.
2. Г, en: G.
3. Ц, en: C.
4. Т, en: T.
5. У. en: U.

Во время анализирования генетического кода изначально обращают внимание на азотистые основания. Вследствие этого цепочка ДНК и комплиментарный ей участок иРНК обретают вид определённых линейных последовательностей:

• …AAATGAACTTCA… — ДНК.
• …UUUACUUGAAGU… — иРНК.

Аминокарбоновые кислоты являются составной частью белков (полипептидов). При образовании последних используются в основном 20 кислот.

В краткой записи их обозначают либо одной, либо тремя буквами, представляющих сокращение от названия.

Учитывая, что аминокарбонки в полипептидах образуют линейные связи, информация об участке белка записывается таким образом: …MLFRSRWIMVPQHE… Каждая аминокислота кодируется в этом случае одной заглавной буквой.

Коллинеарность или линейность

Последовательности нуклеотидов, как и цепочки аминокислот в белках, записываются в линейном виде. Из этого по логике напрашивается очевидный вывод, что размещённым в ряд нуклеотидам ДНК линейно соответствуют аналогично расположенные, но в полипептиде аминокарбонатные кислоты.

Доказательством коллинеарности или линейности генетического кода служит характерная линейность генетических карт.

При их расшифровке и детальном анализе просматриваются очевидные совпадения между расположениями мутаций на картах генетического кода и аминокислотных замещений внутри белков организмов, подвергшихся мутационным изменениям.

Свойство триплетности

Свойство триплетности биологического кода следует из способа непосредственной кодировки аминокислот. При шифровании 20 аминокарбоновых кислот применяют комбинации из 4 нуклеотидов по 3. Этот вариант представляется оптимальным, так как обеспечивает возможность закодировать 64 комбинации триплетов (кодонов). Такого количества более чем достаточно для зашифрованной записи 20 единиц аминокислот.

Однозначность и вырожденность

Однозначность биологического шифра подразумевает, что одному конкретному триплету ставится в соответствие единственная аминокарбоновая кислота. К примеру, если взять триплет AGU, он кодирует исключительно серин. И нельзя больше таким же триплетом зашифровать какую-нибудь другую аминокислоту. Аналогично и с остальными: один кодон — кодовое определение только одной конкретной составляющей.

Но количество кодонных комбинаций больше, чем количество аминокислот (64 и 20 соответственно), поэтому одной аминокарбонке можно сопоставить несколько вариантов триплетов. Например, серин представляется как AGU либо AGС. Это свойство генетического кода получило название вырожденность.

Большинство мутаций, благодаря свойству вырожденности, остаются для живых организмов вполне безвредными. Причиной является, что замена одного нуклеотида не приводит к радикальному изменению самого значения кодона. При детальном изучении таблицы генетического кода, где записаны возможные соответствия аминокарбоновых кислот определённому количеству триплетов, можно заметить, что отличия наблюдаются исключительно в последних нуклеотидах. То есть они, по сути, не влияют на триплетное значение и могут быть любыми.

Неперекрываемость и универсальность

Несомненно, довольно ценным свойством биологического кода считается неперекрываемость. Это означает, что когда нуклеотид уже вошёл составной частью в один триплет, в остальных его быть не должно. При записи последовательной цепочки неперекрываемость выглядит следующим образом:

• AGU-GАА (правильная запись).
• AGU-GUG-GAA (невозможный вариант).

Пара GU, если вошла в один триплет в остальных не может использоваться.

Наряду с неперекрываемостью генетического кода, ещё одним важным свойством представляется его универсальность. Из теоретического предположения, что все живые организмы на Земле имеют одного общего предка, был сделан вывод об одинаковом генетическом коде. В результате последующих исследований это утверждение получило доказательную базу.

На практике свойство универсальности биологического шифра играет огромную роль, так как благодаря ему есть возможность заставлять гены одного живого организма производить функциональные изменения в другом. Разработаны методики генной инженерии, позволяющие белки человеческого организма получать в бактериях и использовать в медицинских целях (инсулин, гормон роста).

Но универсальность генетического шифра не является абсолютным свойством. Науке известны некоторые генетические системы с незначительными отличиями кода от универсального. К ним относятся митохондрии, некоторые инфузории и паразитические бактерии. Учёные предполагают, что подобные отклонения от нормы возникли в результате вторичных изменений на основе универсального кода.