Из Табл.1. видно, что одна и та же аминокислота может кодироваться четверками кодоновых семейств. Например, четверка CU-семейства кодирует лейцин. Четверка GU-семейства кодирует валин, UC – серин, CC – пролин, AC – триптофан, GC – аланин, CG –аргинин, GG – глицин. Это лежащий на поверхности, и сразу замеченный, факт вырожденности, т.е. информационной избыточности кода. Если взять взаймы понятия и термины лингвистики для белкового кода, что давно, повсеместно и с легкостью принято, то вырожденность кода можно понимать как синонимию. Это также единогласно принято. Иначе говоря, один и тот же объект, например, аминокислота, имеет несколько шифров - кодонов. Синонимия не таит в себе никаких опасностей для точности биосинтеза белков. Наоборот, такая избыточность хороша, поскольку повышает надежность работы трансляционной рибосомной «машины»».

Я внес небольшое цветовое разнообразие в таблицу, чтобы было видно то, о чем мы говорим. Синонимические четверки выделены желтым цветом. Всего таких четверок – 8. Омонимические четверки пришлось разделить на три категории, по степени разнообразия. Далее:

«… Однако на Табл.1 видно и другое, фундаментальное, генолингвистическое явление, как бы не замечаемое или игнорируемое. Это явление обнаруживается в том, что в некоторых кодоновых семействах четверки кодонов, точнее, их значащие одинаковые двойки нуклеотидов шифруют не одну, а две различные аминокислоты, а также стоп-кодоны. Так, дублетное UU-семейство кодирует фенилаланин и лейцин, AU – изолейцин и метионин, UA – тирозин, Och и Amb стоп-кодоны, CA – гистидин и глицин, AA – аспарагин и лизин, GA – аспарагиновую и глутаминовую, UG – цистеин, триптофан и Umb стоп-кодон, AG – серин и аргинин. Продолжая лингвистические аналогии, назовем это явление ОМОНИМИЕЙ первых двух кодирующих нуклеотидов в некоторых кодоновых семействах.

В отличие от синонимии, омонимия потенциально опасна, что и отметил Лагерквист, хотя и не ввел термин-понятие «омонимии» в применении к белковому коду. Такая ситуация, вроде бы, действительно должна вести к неоднозначности кодирования аминокислот и стоп-сигналов: один и тот же кодоновый дублет, в пределах некоторых выделенных Лагерквистом семейств, кодирует две разных аминокислоты или является «разностоповым».

Принципиально важно понять: если синонимия кода - это благо (избыток информации), то омонимия - потенциальное зло (неопределенность, неоднозначность информации). Но это мнимое зло, поскольку белок синтезирующий аппарат легко обходит эту трудность, о чем речь пойдет ниже. Если же автоматически следовать таблице (модели) генетического кода, тогда зло становится не мнимым, но реальным. И тогда очевидно, что омонимический вектор кода ведет к ошибкам в синтезе белков, поскольку рибосомный белоксинтезирующий аппарат, каждый раз встречаясь с тем или иным омонимичным дублетом и руководствуясь правилом чтения «два из трех», должен выбрать одну и только одну аминокислоту из двух различных, но кодируемых неоднозначно тождественными дублетами-омонимами.

Следовательно, связки 3’- нуклеотиды в кодонах и спаривающиеся с ними 5’- нуклеотиды в антикодонах, не имеют гено-знакового характера и играют роль «стерических костылей», заполняющих «пустые места» в кодон-антикодоновых парах. Короче говоря, 5’- нуклеотидs в антикодонах случайны, «воблируют» - от английского ‘wobble’ (качание, колебание, виляние). Вот суть Вобл-гипотезы».

Суть изложена вполне четко. Перевод не требуется. Проблема понятна.

Cтоп-кодоны и старт-кодон, они в таблице выделены жирным шрифтом, тоже работают не всегда однозначно, а в зависимости от чего-то…, как полагают биологи, от контекста.

«Продолжим анализ основополагающей работы Крика и Ниренберга, постулирующей понятие генетического кода.

С.142 -143: “ ... до сих пор все опытные данные хорошо согласовывались с общим предположением о том, что информация считывается тройками оснований, начиная с одного конца гена. Однако, мы получили бы те же результаты, если бы информация считывалась группами в четыре или даже более оснований” или “...группами, содержащими кратное трем число оснований”. Это положение почти забыто или не понято, но именно здесь видно сомнение, обязательно ли код триплетный. И не менее важно, что предугадано будущее понимание текстов ДНК и РНК как смысловых фрактальных образований, родственных естественным языкам, что продемонстрировано в наших исследованиях ».

При 4 разных основаниях системы кодов ДНК группы считывания могут быть только по 3 или по 4 основания. 4 основания при парном чтении дают только 16 возможных комбинаций. Не хватает. А вот сколько: 3 или 4 основания в группе считывания, математически установить невозможно. Потому, что так или иначе использованы будут все возможные комбинации. Или 64 при триплете, или 256 при тетраплете.

При увеличении зоны считывания кода «группами, содержащими кратное трем число оснований» количество возможных комбинаций кода будет нарастать неограниченно. Только что это нам дает? Если ориентироваться на кодирование аминокислот, то… ничего. А с дублетным подходом биологов это и вообще никак не совмещается.

Но, главное, в этой цитате впервые, хоть и неявно появилась «зона считывания» информации, не соответствующая триплету. Триплет – одно, а зона считывания – другое. И одно может не совпадать с другим. Очень важное замечание.

По сути дела, теория «качания» предлагает считать зоной считывания кодона только первые два основания. Т.е. в данном случае предлагается признать, что зона считывания меньше зоны кодирования.

Теперь рассмотрим и обратный подход:

«Некоторые мРНК содержат сигналы на изменение рамки считывания. Некоторые мРНК содержат в транслируемой области терминирующие кодоны, но эти кодоны успешно обходятся за счет изменения рамки считывания перед ними или непосредственно на них. Рамка может сдвигаться на -1, +1 и + 2. Существуют специальные сигналы в мРНК, изменяющие рамку считывания. Так, сдвиг рамки трансляции на -1 на РНК ретровируса происходит на специфической гептануклеотидной последовательности перед шпилечной структурой в мРНК (рис. 5, в). Для сдвига рамки на +1 на мРНК бактериального фактора терминацинации RF-2 важны нуклеотидная последовательность на месте сдвига (кодон UGA), последующий кодон, а также предшествующая им последовательность, комплементарная к 3"-концевой последовательности рибосомной РНК (аналог последовательности Шайна-Дальгарно) (рис. 5, г)». .

Цитата уже приводилась ранее , но теперь посмотрим на её содержание более внимательно. Что понимается под термином – рамка считывания? Это понятие из седой старины вычислительной техники, когда зона считывания информации с перфоленты или перфокарты ограничивалась непрозрачной рамкой, чтобы уменьшить опасность ошибки при считывании информации световым потоком на фотоприемник через отверстия в карте или ленте, выбитые в нужных местах строки разметки. Принцип считывания давно ушел, а термин остался. Так как понятие рамки считывания понятно всем биологам, то видимо оно означает зону считывания только одного основания из триплета. И под «сдвигом рамки считывания» надо понимать, что при +1, читается основание, следующее за последним элементом триплета, а -1, что считывается основание перед первым элементом все того же триплета. Какая пара оснований при этом остается основой в считываемом триплете? Это не уточняется…

Но, похоже, не все понимают рамку считывания, как в данном случае. Если под понятием рамки считывания понимать рамку, ограничивающую 3 основания, то при сдвиге +2 от читаемого триплета остается 1 элемент, а два – из соседнего.

Так о какой рамке считывания все же идет речь? Ну, да, ладно, пусть пока остается неясность…

Но в любом случае, потом эти основания, уже считанные рамкой снова будут читаться, когда рамка вернется на место и рибосома перейдет к чтению следующего триплета…, а как же неперекрываемость кода?

В данном случае, механистический подход биологов к оценке изменения позиций считывания триплета не учитывает реальный размер того, о чем они говорят. Терминология явно вводит в заблуждение. Как они сами в этом потом разбираются – непонятно. Очевидно, что никакая «рамка» никуда не двигается…

Двигается выборка нужных позиций в зоне считывания. И если сложить максимальные приведенные в выше сдвиги «рамки» считывания с длиной читаемого кодона, то получим: 2+3+2 = 7. Таким образом, общая ширина зоны считывания рибосомы составляет уже 7 оснований. Рибосома выбирает триплет из 7 возможных оснований. Как? Это уже другой вопрос…

Но нам важнее другое. Теперь можно реально оценить, что зона считывания информации с РНК может быть больше триплета и составлять 7 и более оснований, при этом, как необходимые позиции считывания, фиксируются только три основания. А что такое, остальные позиции? Возможно, тот самый «контекст», который и меняет варианты считывания триплета. Омонемические, по терминологии П.П.Гаряева.

Конечно, это только один из множества частных случаев понимания многостороннего понятия контекста. Но …, по крайней мере, он позволяет понять кое-что, не прибегая к высшим философским обобщениям. На вполне реальном уровне механистического понимания.

Об алфавите клеточных текстов.

Вопрос, конечно, интересный…

О понимании оснований ДНК, как букв какого-то клеточного алфавита принято биологами на вооружение давно. Отсюда и возникновение понятия смыслового контекста в оценке триплетного кодирования, и поиск осмысленного подхода клетки к этому кодированию, и постепенный переход к Высшему Разуму, написавшему эту книгу Жизни…

Только вот, с точным указанием букв этого алфавита все время возникают разногласия. Что принимать за буквы? Основания (А,Т,С,G), кодоны, составленные из них, или аминокислоты в составе получаемого при трансляции белка?

Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов – 64, что взять за основу?

О необходимости лингвистической оценки последовательностей ДНК, РНК и белковых молекул говорят все, независимо от понимания букв клеточного алфавита. Подходить к информации ДНК, как к смысловому тексту с пониманием контекста применимого для литературной оценки, так требуют понимать биологи. Таким образом, предполагается, что исследуемый язык обладает всеми атрибутами развитого литературного языка и нужен соответствующий подход к оценке его многосмысловой информативности.

Прекрасно. И все же, буквы – где? Чем написан этот литературный текст, требующий такого пристального внимания лингвистов? Пока в рамках того же механистического подхода…

Основания или нуклеотиды? Похоже – нет. С этим соглашается основная масса биологов. Маловато 4-х оснований для создания литературного текста. Да еще при наличии непрерывности последовательности на всем протяжении ДНК.

С кодоном, как буквой этого алфавита трудности возникают сразу. Где он, этот кодон, на ДНК и РНК, как его найти? Это может сделать только рибосома, и то, только при непосредственном контакте. Да и что это за составные буквы такие, из триплетов? Сложно понять. Тем не менее, у этого понимания кодонов, как букв клеточного алфавита, сторонников достаточно.

Принять за буквы алфавита аминокислоты? Да, с этим согласно большинство. Но, тогда Книгой Жизни становится белок, а не ДНК. В белке смысловой контекст есть, а в ДНК, получается, может и не быть? Или будет, но другой, отличный от белкового…

И потому, требование оценки и ДНК, и белка с позиций смыслового контекста есть, а уточнения, что и как все же надо оценивать – нет.

П.П.Гаряев в этой ситуации предложил, в том числе и лингвистически, оценивать не ДНК и белок, а их голографические объемные «портреты». Очень сильная позиция, надо признать. И очень продуктивная…

Но вот с алфавитом клетки при механистическом, привычном уже подходе, тогда совсем непонятно. Есть он, или его нет совсем, и это понятие только аллегория?

Биологи уточнений не дают. Но упорно продолжают применять это понятие. Каждый - в своем понимании…

Об исходной системе кодирования.

Именно об исходной, которая была, возможно, на этапе разделения клеток на прокариоты и эукариоты. Сейчас она скрыта многочисленными наложениями и отклонениями и у тех, и у других. Миллионы лет эволюции бесследно не прошли.

И все же…

Не всегда ДНК была хранилищем информации, раньше эту роль могла исполнять РНК. Она вполне заменяла и белок на каком-то этапе. Об этом говорят многочисленные исследования. И оснований ДНК и РНК не всегда было 4, но мы сейчас не об этом…

Но на каком-то этапе развития появилась система кодирования информации, тогда вполне удовлетворяющая всем требованиям информационной и логической структуры управления процессами клетки.

Та самая классика, на которую все указывают, и тут же начинают опровергать…

Информационный массив – ДНК, РНК. Последовательность, состоящая из комбинации 4 нуклеотидов: A,T(U),C,G.

Шаг считывания информации – 1 нуклеотид.

Метод считывания информации – последовательный.

Объем разового считывания – триплет.

Ни одна логическая система считать не умеет. Но, вот считать до одного она в состоянии. Это дальше уже - много. И различать разные единицы в двух соседних парах – тоже. И если ось симметрии вещественная, то определять логические состояния соседних позиций относительно такой оси, она вполне в состоянии. Но, вот дальше увеличивать зону чтения без счета на том этапе видимо было очень трудно.

И потому, на том этапе – триплет, это максимально возможная форма единицы информации системы. Разряд на оси симметрии, разряд справа и разряд – слева.

Три разных единицы учета… даже для шагового чтения… это много.

В системе кодирования информации ДНК и РНК применено 4 возможных логических состояния, триплетное считывание. Сложность для клетки – предельная.

Как доказать триплетность кода? Это я уже показывал и не раз. Напишем еще раз: Оснований – 4, аминокислот – 20, кодонов или триплетов – 64.

Математика простая: 64/3 = 21

Такое количество неперекрываемых триплетов возможно получить при шаге фиксации через одно основание. Это 20 триплетов для аминокислот и один СТОП-кодон.

С другой стороны: 4 3 = 64, это те же 21х3=63, это 60 комбинаций триплетов, 3 стоп кодона и старт-кодон, замыкает вариационное множество. Это просто математика, но... она показывает, что первоначально, действительно считывались три подряд основания - кодон при шаге в 1 основание. Это и обусловило применяемое количество аминокислот - 20. Таким образом, все же - триплет.

В этом случае понятна вырожденность кода аминокислоты в триплете. Она возникла от перекрываемости кода.

Мы неверно понимаем появление вырожденности кодонов. Это не расширение возможностей системы в кодировании информации, а «ошибки её прошлого». Это отголосок исходной системы кодирования…

Информация на тему:

«С.153: “ ... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов”.

Конечно, для кодирования любой аминокислоты в основаниях ДНК достаточно одного кодового триплета. Тем более, при неперекрываемом кодировании. Повторяй один кодон сколько угодно раз, и получай столько молекул нужной аминокислоты в белке. Легко, просто, понятно, и энергозатраты минимальны.

Вырожденность кода триплета – вынужденная мера, впрямую связанная с первоначальным способом считывания кода. Так уж получилось в ходе эволюции.

Механизм появления вырожденности кода выглядит вот так:

При шаге считывания триплетов в 1 основание за каждый шаг меняется только один знак триплета, а два знака триплета остаются постоянными. Только синхронно сдвигается их позиции. При двух шагах неизменной остается информация только одного знака триплета, но она проходит последовательно по всем позициям отображения.

Зачем нам это?

При 3 кодирующих знаках на каждом шаге повторяются 2 знака. И лишь один изменяется. На следующем шаге изменится и второй знак. И один знак останется неизменным на пройденном пути. Полная смена знаков наступит только после третьего шага. Только теперь новая комбинация триплета не будет иметь влияния от предыдущих сочетаний.

При триплетном шаге каждый новый триплет в формировании не зависит от предыдущего, но… такой шаг для такой считывающей системы тогда был невозможен.

И формируемые триплеты ДНК оказывались при чтении зависимыми друг от друга.

Такое плавное перетекание одного триплета в другой приводит к ограничению возможности быстрого использования всех перестановок в триплете. Для возможного использования всех 64 вариантов триплета необходимо 64*3 = 192 единичных шага считывания триплетов ДНК. И наоборот, из 64 шагов считывания возможных комбинаций при последовательном шаговом чтении всех кодонов, от первой до 64-ой, будет 42 повтора, а уникальных будет не более 1/3 = 21 комбинация. И еще 1/3….

Вот и ответ, почему аминокислот только 20. Можно было бы и больше, да система кодирования и считывания информации не позволяет.

Вот и стала клетка использовать дополнительные коды из имеющихся 42 повторов. Иначе она и не могла, потому, что пробелы в трансляции недопустимы. Есть код - любой, и рибосома должна выполнить операцию трансляции. Переходные варианты от одного независимого кода триплета к другому стали быстро заниматься теми же 20-ю аминокислотами, но уже в зависимости от частоты применения. Для одной -6 кодов, а другой и одного хватает. Мы это и регистрируем, как вырожденность кода.

Понятно, что при использовании зависимых кодонов должна была расширяться и база транспортных тРНК. Так и произошло. При полномасштабной системе количество кодонов иРНК должно соответствовать количеству антикодонов на тРНК. Так что, большое количество тРНК говорит только о том, что система изначально формировалась именно таким способом.

Как мы видим, первоначальная или исходная система кодирования на этапе появления 4 нуклеотидов в ДНК хорошо просматривается. Далее уже пошли наслоения поздних эволюционных процессов. И сегодня мы имеем…то, что имеем.

Начальные основные коды аминокислот.

С другой стороны, если следовать по этому пути, то из 64 возможных можно выбрать какие-то 21 комбинаций и применить, как основные. Но, какие?

Как клетка могла выбирать? Самый простой ответ – по максимальной симметрии триплета.

Применим принцип симметричности в поиске нужных сочетаний и проверим, насколько мы правильно поняли путь природного кодирования аминокислот в ДНК. Для этого соберем все варианты симметричных кодов в таблицу 2. Отличный результат…, 15 из 16 возможных аминокислот получили симметричные коды.

Но, осталось еще 5 аминокислот и СТОП.

Видимо Природа шла тем же путем, … и споткнулась на том же месте. Все симметричные варианты использованы, запаса для расширения системы нет, а кодов не хватает. Какой следующий вариант применила она для продолжения поиска кодов?

Теперь повторы и один добавочный элемент…

Есть. CAA, AAC, UGG, и вот он основной Стоп-кодон – UAA.

Осталось найти еще два кодона…

GAC и AUG. Последний и стал Старт-кодоном…

И общее количество основных сочетаний используемых в ДНК и РНК стало – 21. Таблица 2 отражает путь поиска основных кодовых обозначений.

Но и тут эволюционная логика развития показывает интересный пример. До конца и сразу использованы только полные симметрии. Остальные варианты использованы не сразу и не полностью. Например, для аминокислоты Gly использован основной кодон GGG, а потом добавлен GGU, из неиспользованного резерва…

Созданные резервы кодирования работали до последнего. Сегодня все резервы давно использованы и пришло время совмещения функций, где это возможно. Например, для Старт-кодона. Начался поиск новых путей в расширении возможностей триплетного кодирования. аминокислот в РНК. Вот примерно так, возможно, шел отбор основных кодов. По симметрии и простейшим перестановкам…

Таблица 2

Логика действий понятна. Возможно, мы ошиблись в последовательности действий, но это пока не так важно. Конечно, это только мои вариации на тему, профессионалам, наверное, виднее, так или не так всё было в действительности, но все же, … получилось интересно.

Не сходятся концы с концами…

Странно, … симметричные коды можно использовать только при триплетном считывании, без перекрытия. Этот момент заставляет еще раз присмотреться к приведенной выше математике получения 20 аминокислот для использования в триплетном кодировании. Явно, одно не соответствует другому.

Математика показывает объективную реальность поэлементного движения рибосомы по РНК. Но и такое широкое использование симметрий в кодировании аминокислот так же не может быть случайным, и указывает на триплеты независимого считывания.

Возможно, что поэлементное считывание информации РНК существовало до триплетного кодирования и какое-то время вместе с появлением триплетов. Оно и определило количество применяемых аминокислот.

Но на каком-то этапе произошел скачок в развитии. Система кодирования была полностью пересмотрена. Триплетное независимое считывание заставило заново провести кодирование используемых аминокислот по признакам симметрии. Но эволюция не умеет отбрасывать старые варианты…

Дополнительные коды уже есть, пришлось их перераспределить по аминокислотам в зависимости от частоты их применения.

И сложилась парадоксальная картина. Считывание, вроде бы, неперекрываемое, и для кодирования аминокислоты достаточно одного кодона, а использованными оказались все 64 варианта. Потенциальная избыточность кодирования перекрыта вырожденностью кодов. Расчетный запас есть, а фактически – нет. Как это получилось, мы уже увидели.

Скорее всего, фактором пересмотра системы стало быстрое развитие клеточных рибосом. В конечном итоге они определяют всю систему кодирования и её применение в клеточном организме.

Можно предположить, что зона считывания информации у рибосомы давно превысила три знака и вышла далеко за эти пределы. Появилась возможность выбора и запоминания информации нужного кодона внутри большой зоны считывания информации. Это позволило оставить рибосоме поэлементный шаг, но была реализована и возможность триплетного считывания в независимом режиме. У рибосомы где-то появилась оперативная память.

Зона считывания информации для рибосомы даже у прокариотов, как мы видим, достигла 7 нуклеотидов. И это не предел. Если принять за основу, что рибосомы имеют два центра трансляции или считывания информации , то их суммарная зона считывания информации одной рибосомой достигла уже и 14 нуклеотидов. Какие-то участки кодов принимаются за триплеты, а остальное составляет контекст…

А сейчас…

А сейчас всё совсем запуталось. По информации биологов счет идет в триплетах, правда никто не объясняет, как это происходит. Ближайший контекст не учитывается. Сопоставление кодовой последовательности РНК и получаемого по ней белка представляет собой очень трудную задачу, и четко понять, как изменилась система и что учитывается при трансляции – пока видимо невозможно.

Мало того, биологи основное внимание уделяют не систематизации, а нахождению отклонений от системы, тем самым увеличивая и без того обширное разнообразие фактов, и сами себе создают головоломную задачку-нерешайку. Неразбериху дополняет полное смешение разнообразных отклонений в механизмах считывании триплетов прокариотов и эукариотов в один большой кроссворд…, где они и сами уже, похоже, запутались.

Почему? У них задачи другие. Они работают с биологическими объектами, так, как принято в их науке. Потому и выводы по вопросам кодирования РНК нашли отражение в теории «качания», а не в системе принципов считывания информации и теории кодирования. Их можно понять, но выход надо находить…

Предложенный самими биологами технократический подход к проблеме понимания кодирования ДНК еще далеко не исчерпал свои возможности. По сути, пока он толком и не применялся. Использовалась только терминология, но не подход.

Возможно, настало время применения машинного анализа последовательностей ДНК с учетом расширенной зоны считывания информации по отношению к триплету кодирования. Тогда станет понятен механизм действия ближайшего к триплету считывания контекста кодирования, а возможно, и элементов программирования процесса трансляции белка, запоминаемых рибосомой. Особенно важен такой анализ для исследования нетранслируемых областей РНК и ДНК. Так как уже понятно, что это программные элементы системы кодирования. От них зависят все процессы, в том числе и трансляция белка. Название «мусор» к ним явно никак не походит…

Да и не может быть «мусора» в массивах стратегически важной информации, хранящихся в ДНК. Этого никакая информационная система себе позволить не может.

Сегодняшний уровень развития вычислительной техники вполне позволяет решать эти задачи. Построить систему информационного управления в клеточной структуре, уточнить каналы связей, установить ключевые элементы управления и систему сигналов. Тогда будет понятен хоть примерный уровень технической сложности этой системы управления. Пока понятно только одно, что ключевую роль в ней исполняет рибосома, но насколько технически сложен это универсальный клеточный автомат? Как на её фоне выглядит техническая сложность остальных исполнительных механизмов клетки?

Ответов я пока не нашел…

Литература:

1. Гаряев П.П. Тертышный Г.Г. Леонова Е.А. Мологин А.В. Волновые биокомпьютерные функции ДНК. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157645&s
2. Никитин А.В., Считывание и обработка информации ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16147, 08.11.2010

Никитин А.В., Проблемы понимания системы кодирования ДНК // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16181, 27.11.2010

Белки – это гетерополимеры, состоящие из 20 различных мономеров – природных альфа-аминокислот. Белки – это нерегулярные полимеры. В строении молекулы белка различают несколько уровней структурной организации. Первичная структура – это последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Вторичная структура – как правило, это спиральная структура,которая удерживается множеством водородных связей, возникающих между находящимся близко друг от друга –С=О и –NH-группам. Третичная структура белковой молекулы – это пространственная конфигурация, обычно напоминающая компактную глобулу; она поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S–S) связями.Четвертичная структура образуется при взаимодействии нескольких субъединиц – глобул (например, молекула гемоглобина состоит из четырех таких субъединиц). Утрата белковой молекулой своей структуры называется денатурацией; она может быть вызвана температурой, обезвоживанием, облучением и т.д.. Информация о последовательности аминокислот в одной полипептидной цепи находится в участке ДНК, который называется ген . В ДНК заложена информация о первичной структуре белка. Код ДНК един для всех организмов. Каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида, образующих триплет, или кодон. Такое кодирование избыточно: возможны 64 комбинации триплетов, тогда как аминокислот только 20. Существуют также управляющие триплеты, например, обозначающие начало и конец гена.

Биосинтез белка – это цепь реакций, в которых используется энергия АТФ. Во всех реакциях синтеза белка участвуют ферменты. Биосинтез белка – это матричный синтез.

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК. Свойства генетического кода .

1. Триплетность Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.

2. Вырожденность . Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом. Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.

3. Однозначность . Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.

4. Компактность , или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

23.Принцип кодирования и реализации генетической информации в клетке, свойства генетического кода их биологический смысл. Этапы реализации информации, их характеристика. Понятие о прямой и обратной транскрипции .

Генетический код – система записи наследственной информации, за которой последовательность нуклеотидив в ДНК (у некоторых вирусов РНК) определяет последовательность аминокислот в молекулах белков. Поскольку в процессе реализации генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК, генетический код читается за иРНК и записывается с помощью четырех азотистых основ РНК (А, В, Г, Ц).

Кодон – последовательность трех соседних нуклеотидив (триплет) иРНК, которая кодирует определенную аминокислоту или начало и конец трансляции.

Поскольку существует четыре типа нуклеотидив, генетический код состоит из 64 кодонов, из них 61 кодон кодирует 20 аминокислот. Три кодона (УАГ, УАА, УГА) – кодон-кодоны-нонсенсы-кодоны, не кодируют ни одной аминокислоты и для них не существует транспортных РНК; они выполняют роль сигналов завершения трансляции (кодон-кодоны-стоп-кодоны, кодоны-терминаторы). Кодон АУГ определяет начало трансляции и называется инициирующим, или стартовым, кодоном.

Генетический код: его свойства и понятие . Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковых молекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью генетического кода. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот.

Свойства генетического кода:

· триплетность - одна аминокислота кодируется одним триплетом, в состав которого входит три нуклеотида. Такой триплет называется кодоном.;

· «вырожденность», или избыточность генетического кода, т.е. одну и ту же аминокислоту может кодировать несколько триплетов, так как известно 20 аминокислот и 64 кодона

· неперекрываемость, т.е. между триплетами в молекуле ДНК не существует разделительных знаков, они расположены в линейном порядке, следуя один за другимтри рядом расположенных нуклеотида образуют один триплет;

· универсальность, т.е. для всех организмов, начиная с прокариот и заканчивая человеком, 20 аминокислот кодируются одними и теми же триплетами, что является одним из доказательств единства происхождения всего живого на Земле

Этапы реализации генетической информации I .

Транскрипция - синтез всех видов РНК на матрице ДНК.

Транскрипция, или переписывание, происходит не на всей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определенный белок (ген). Условия, необходимые для транскрипции:

а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков- ферментов

б) наличие строительного материала.

в) ферменты трансктипции - РНК-полимеразы I, II, III

г) энергия в виде АТФ.

Транскрипция происходит по принципу комплементарности. При этом с помощью специальных белков-ферментов участок двойной спирали ДНК раскручивается, является матрицей для синтеза иРНК. Затем вдоль цепи ДНК движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды по принципу комплементарности в растущую цепь РНК. Затем одноцепочечная РНК отделяется от ДНК и через поры в мембране ядра покидает клеточное ядро II.

Трансляция (translation), или биосинтез белка. Суть трансляции -перевод четырехбуквенного шифра азотистых оснований на 20-буквенный «словарь» аминокислот. Процесс трансляции состоит в переносе закодированной в иРНК генетический информации в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется биосинтез белка в цитоплазме на рибосомах и состоит из нескольких этапов :

Подготовительный этап (активация аминокислот), состоит в ферментативном связывании каждой аминокислоты с своей тРНК и образовании комплекса аминокислота - тРНК. Собственно синтез белка, который включает три стадии:

а) инициация - иРНК связывается с малой субъединицей рибосомы

б) элонгация - удлинение полипептидной цепочки. Процесс осуществляется в 3 шага и заключается в связывании кодона мРНК с антикодоном тРНК по принципу комплементарности в активном центре рибосомы, затем в образовании пептидной связи между двумя остатками аминокислот и перемещении дипептида на шаг вперёд и, соответственно, передвижения рибосомы вдоль иРНК на один кодон вперед

в) терминация - окончание трансляции, зависит от присутствия в иРНК терминирующих кодонов или "стоп-сигналов" (УАА,УГА,УАГ) и белковых ферментов - факторов терминации

Обратная транскрипция - это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации в одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.

Похожая информация.

Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году.

Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле полипептида.

Основные постулаты кода :

1) Генетический код триплетен. Триплет и-РНК получил название кодона. Кодон шифрует одну аминокислоту.

2) Генетический код является вырожденным. Одна аминокислота шифруется, более чем один кодоном (от 2 до 6). Исключения составляют метиониновый и триптофановый (АУГ, ГУГ). В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковы, а третий варьирует.

3) Кодоны не перекрываются. Нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом.

4) Код однозначен. Кодон шифрует определенную аминокислоту.

5) АУГ является стартовым кодоном.

6) Внутри гена нет знаков препинания - стоп кодонов: УАГ, УАА, УГА.

7) Генетический код универсален, он един для всех организмов и вирусов.

Раскрытие структура ДНК, материального носителя наследственности способствовало решению многих вопросов: воспроизведение генов, природы мутаций, биосинтез белка и т.д.

Механизм передачи генетического кода способствовал развитию молекулярной биологии, а так же генной инженерии, генной терапии.

ДНК находится в ядре и входит в состав хроматина, а также митохондрии, центросомы, пластиды, а РНК - в ядрышках, матриксе цитоплазмы, рибосомах.

Носителем наследственной информации в клетке является ДНК, а РНК - служит для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нуклеотидов ДНК в полипептид.

У некоторых организмов, кроме ДНК, носителем наследственной информации может быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, СПИДа.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Установлено, что в хромосомах эукариот гигантская двуспиральная молекула ДНК образована 4 типами нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый, цитозиловый. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового Г+А или пиримидинового Ц+Т), дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Анализируя ДНК разного происхождения, Чаргафф сформулировал закономерности количественного соотношения азотистых оснований - правила Чаргаффа.

а) количество аденина равно количеству тимина (А=Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г+А = Ц+Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству оснований с 6-кетогруппами (А+Ц = Г+Т).

В то же время соотношение оснований А+ТГ+Ц является строго видоспецифичным коэффициентом (для человека - 0,66; мыши - 0,81; бактерии - 0,41).

В 1953 году биологом Дж.Уотсоном и физиком Ф.Криком была предложена пространственная молекулярная модель ДНК.

Основные постулаты модели заключаются в следующем:

1. Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную вокруг центральной оси (правозакрученная - В-форма, левозакрученная - Z-форма, обнаруженная А. Ричем в конце 70-х годов).

2. Каждый нуклеозид (пентоза + азотистое основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две полинуклеотидные цепи скреплены водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

4. Спаривание азотистых оснований строго специфично, пуриновые основания соединяются только с пиримидиновыми: А-Т, Г-Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но азотистые основания другой цепи должны быть строго комплементарны им.

Полинуклеотидные цепи образуются за счет ковалентных связей между соседними нуклеотидами через остаток фосфорной кислоты, который соединяет углерод в пятом положении сахара с третьим углеродом соседнего нуклеотида. Цепи имеют направленность: начало цепи 3 " ОН - в третьем положении углерода дезоксирибозы присоединяется гидроксильная группа ОН, конец цепи - 5 " Ф, к пятому углероду дезоксирибозы присоединяется остаток фосфорной кислоты.

Аутосинтетической функцией ДНК является репликация - авторепродукции. Репликация основана на принципах полуконсервативности, антипараллельности, комплементарности и прерывистости. Наследственная информация ДНК реализуется в результате репликации по типу матричного синтеза. Он протекает в по стадиям: связывание, инициация, элонгация, терминация. Процесс приурочен к S-периоду интерфазы. Фермент ДНК-полимераза использует в качестве матрицы одноцепочечную ДНК и в присутствии 4-х нуклеотидов, затравки (РНК) строит вторую цепь ДНК.

Синтез ДНК осуществляется по принципу комплементарности. Между нуклеотидами цепи ДНК образуется фосфодиэфирные связи за счет соединений 3 " ОН группы самого последнего нуклеотида с 5 " -фосфатом следующего нуклеотида, который должен присоединиться к цепи.

Различают три основных вида репликации ДНК: консервативный, полуконсервативный, дисперсный.

Консервативный - сохранность целостности исходной двуцепочечной молекулы и синтез дочерней двуцепочной. Половина дочерних молекул построена полностью из нового материала, а половина - из старого материнского.

Полуконсервативный - Синтез ДНК начинается с присоединения к точке начала репликации фермента хеликазы, который расплетает участки ДНК. К каждой из цепей присоединяется ДНК связывающей белок (ДСБ), препятствующей их соединению. Единицей репликации является репликон - это участок между двумя точками начала синтеза дочерних цепей. Взаимодействие ферментов с точкой начала репликации называется инициацией. Эта точка движется вдоль цепи (3 " ОН>5 " Ф) и образуется репликативная вилка.

Синтез новой цепи идет прерывисто с образованием фрагментов длиной 700-800-2000 нуклеотидных остатков. Имеется точка начала и конца репликации. Репликон движется вдоль молекулы ДНК и расплетаются ее новые участки. Каждая из материнских цепей является матрицей для дочерней, которая синтезируется по принципу комплементарности. В результате последовательных соединений нуклеотидов цепь ДНК удлиняется (стадия элонгации) с помощью фермента ДНК-лигаза. При достижении нужной длины молекулы синтез прекращается - терминация. У эукариот работает сразу тысячи репликативных вилок. У прокариот - инициация происходит в одной точке кольца ДНК, при этом две репликативные вилки двигаются в 2-х направлениях. В месте их встречи двух цепочечные молекулы ДНК разъединяются.

Дисперсный - распад ДНК на нуклеотидные фрагменты, новая двуцепочечная ДНК состоит из спонтанно набранных новых и родительских фрагментов.

ДНК эукариот по структуре похоже на ДНК прокариот. Различия касаются: количества ДНК по генам, длиной молекулы ДНК, порядком чередования нуклеотидных последовательностей, формой укладки (у эукариот - линейная, у прокариот - кольцевая).

Для эукариот характерна избыточность ДНК: кол-во ее ДНК, участвующее в кодировании, составляет только 2%. Часть избыточной ДНК представлена одинаковыми наборами нуклеотидов, повторяющимися много раз (повторы). Различают многократно и умеренно повторяющиеся последовательности. Они образуют конститутивный гетерохроматин (структурный). Он встроен между уникальными последовательностями. Избыточные гены имеют 10 4 копий.

Метафазная хромосома (спирализованный хроматин) состоит из двух хроматид. Форма определяется наличием первичной перетяжки - центромеры. Она разделяет хромосому на 2 плеча.

Расположение центромеры определяет основные формы хромосом:

Метацентрические,

Субметацентрические,

Акроцентрические,

Телоцентрические.

Степень спирализации хромосом не одинакова. Участки хромосом со слабой спирализацией называют эухроматиновыми. Это зона высокой метаболической активности, где ДНК состоит из уникальных последовательностей. Зона с сильной спирализацией - гетерохроматиновый участок, способный к транскрипции. Различают конститутивный гетерохроматин-генетический инертный, не содержит генов, не переходит в эухроматин, а так же факультативный , который может переходить в активный эухроматин. Концевые отделы дистальных участков хромосом называют теломеры.

Хромосомы подразделяются на аутосомы (соматических клеток) и гетерохромосомы (половых клеток).

По предложению Левитского (1924) диплоидный набор соматических хромосом клетки был назван кариотипом. Он характеризуется числом, формой, размерами хромосом. Для описания хромосом кариотипа по предложению С.Г. Навашина их располагают в виде идиограммы - систематизированного кариотипа. В 1960 году была предложена Денверская международная классификация хромосом, где хромосомы классифицированы по величине и расположению центромеры. В кариотипе соматической клетки человека различают 22 пары аутосом и пару половых хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным , а в половых клетках - гаплоидным (он равен половине набора аутосом). В идиограмме кариотипа человека хромосомы делят на 7 групп, в зависимости от их размеров и формы.

1 - 1-3 крупные метацентрические.

2 - 4-5 крупные субметацентрические.

3 - 6-12 и Х-хромосома средние метацентрические.

4 - 13-15 средние акроцентрические.

5 - 16-18 относительно малые мета-субметацентрические.

6 - 19-20 малые метацентрические.

7 - 21-22 и Y-хромосома наиболее малые акроцентрические.

Согласно Парижской классификации хромосомы разделены на группы по их размерам и форме, а также линейной дифференцировке.

Хромосомы обладают следующими свойствами (правила хромосом):

1. Индивидуальности - отличия негомологичных хромосом.

2. Парности.

3. Постоянством числа - характерным для каждого вида.

4. Непрерывности - способности к репродукции.

07.04.2015 13.10.2015

В эпоху нано-технологий и новаций во всех сферах жизни человека, необходимо знать многое для самоуверенности и общения с людьми. Технологии двадцать первого века шагнули очень далеко, например, в сфере медицины и генетики. В настоящей статье попробуем подробно описать наиглавнейший шаг человечества в исследованиях ДНК.

Описание кода ДНК

Что же такое – этот код? Код вырожден генетическими свойствами и занимаются его исследованием ученые генетики. Этим кодом наделены все живые существа нашей планеты. Научно определяется как метод белковой последовательности аминокислот с помощью цепочки нуклеотидов.
Так называемый алфавит состоит из четырех основ, обозначающихся А, Г, Т, Ц:
А – аденин,
Г – гуанин,
Т – тимин,
Ц – цитозин.
Цепь кода представляет собой спираль последовательно составленных выше описанных основ, получается, что каждой ступеньки спирали соответствует определенная буква.
Вырожден код ДНК белками, которые участвуют в составлении и складываются из цепочек. В которых участвуют двадцать видов аминокислот. Аминокислоты раскрывающего кода имеют название канонические, выстраиваются определенным образом в каждом существе и образуют белковые звенья.

История выявления

Изучение белков и кислот человечество занимается с давнего времени, но первые гипотезы и постановление теории о наследственности возникли только в середине двадцатого века. К этому моменту ученые собрали достаточное количество знаний этого вопроса.
В 1953 году исследования показали, что белок отдельного организма имеет уникальную цепочку из аминокислот. Далее было выведено, что эта цепочка не имеет никакого ограничения в полипептиде.

Сравнивались записи различных мировых ученых, которые были различны. Поэтому сформировалось определенное понятие: каждому гену соответствует определенный полипептид. В это же время возникает название ДНК, которое определенно доказано, что не белок.
Исследователи Крик и Уотсон впервые говорили о матричной схеме объясняющего шифра в 1953 году. В самой последней работе великих ученых был доказан факт, что шифр является носителем информации.

Впоследствии оставалось разобраться только в вопросе определения и формирования цепочек аминокислот белка, основания и свойства.

Первым ученым, построившим гипотезу генетического кодирования, был физик Гамов, который также предложил определенный способ проверки матрицы.
Генетики предположили установить соответствие между двумя боковыми перекладинами цепи аминокислот и образующимися ромбовидными ступеньками. Ромбовидные ступени цепи образуются при помощи четырех нуклеотидов генетического кода. Это соответствие было названо бубновым.
Гамов в дальнейшем своем исследовании предлагает теорию триплетного кода. Это предположение становится первостепенным в вопросе о природе генетического кода. Хотя теория физика Гамова имеет недостатки, одним из которых является кодирование структуры белков через генетический код.
Соответственно Георгий Гамов стал первым ученым, который рассмотрел вопрос о генах как кодирование четырехзначной системы в переводе её в двадцатизначный основополагающий факт.

Принцип действия

Один белок составлен из нескольких верениц аминокислот. Логичность связующих цепочек, определяет строение и характеристики белка организма, что соответственно способствует выявлению информации о биологических параметрах живого существа.

Информация из живых клеток добывается двумя матричными процессами:
Транскрипцией, то есть синтезированным процессом слияния матриц РНК и ДНК.
Трансляцией, то есть синтезирование цепочки полипептидов на матрице РНК.
В процессе трансляции генетический код перенаправлен в логичную цепочку аминокислот.

Для выявления и реализации информации генов необходимо не менее трех цепочных нуклеотидов, при рассмотрении двадцати строго последовательных аминокислот. Такой набор из трех нуклеотидов обозначается как триплет.
Генетические коды распределены между двумя категориями:
Перекрывающие – код минорный, треугольный и последовательный.
Неперекрывающиеся – код комбинационный и «без запятых».
Исследования доказывали что порядок аминокислот хаотичен и соответственно индивидуально, на основе этого учены отдают предпочтение кодам неперекрывающимся. Впоследствии теория «без запятых» была опровергнута.
Для чего необходимо знать код ДНК
Знания о генетическом коде живого организма позволяют определить информацию молекул в наследственном и эволюционном смысле. Необходима запись наследственности, выявляет исследования по формированию системных знаний в мире генетики.
Универсальность генетического кода считается самым уникальным свойством живого организма. На основе данных можно получить ответы на большинство вопросов медицинского и генетического характера.

Использование знаний в медицине и генетике

Достижение в молекулярной биологии двадцатого века позволило широко шагнуть в исследованиях болезней и вирусов имеющих различные основания. Информация о генетическом коде повсеместно используется в медицине и генетики.
Выявление природы определенного заболевания либо вируса накладывается на исследование генетического развития. Знания и формирование теорий и практик способны вылечить трудно-излечимые или неизлечимые заболевания современного мира и будущего.

Перспективы развития

Так как научно доказано что в генетическом коде заложена информация не только о наследственности, но и о продолжительности жизни организма, развитие генетики задается вопросом о бессмертии и о долголетии. Эта перспектива поддерживается рядом гипотез наземного бессмертия, клетки раковых заболеваний, стволовые клетки человека.

Научный сотрудник технического института П. Гаряев в 1985 году обнаружил по случайности спектрального анализа пустое место, названное впоследствии фантом. Фантомы определяют умершие генетические молекулы.
Что обозначило в дальнейшем теорию об изменении живого организма со временем, которое предполагает, что человек способен жить более четыреста лет.
Феноменом является то, что клетки ДНК способны издавать звуковые колебания в сто герц. То есть ДНК может говорить.