Генетический код

Как кодируются аминокислоты нуклеотидами

1) Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры, состоящие из нуклеотидов. В каждый нуклеотид может входить одно из четырех азотистых оснований: аденин (А, еn: A), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, en: C), тимин (T, en: Т). В случае РНК тимин заменяется на урацил (У, U).

При рассмотрении генетического кода принимают во внимание только азотистые основания. Тогда цепочку ДНК можно представить в виде их линейной последовательности

Например:

…AAATGAACTTCA…

Комплиментарный данному коду участок иРНК будет таким:

…UUUACUUGAAGU…

2) Белки (полипептиды) — это полимеры, состоящие из аминокислот. В живых организмах для построения полипептидов используется 20 аминокислот (еще несколько очень редко). Для их обозначения тоже можно использовать одну букву (хотя чаще используют три — сокращение от названия аминокислоты).

Аминокислоты в полипептиде соединены между собой пептидной связью также линейно. Например, пусть имеется участок белка со следующей последовательностью аминокислот (каждая аминокислота обозначается одной буквой):

…MLFRSRWIMVPQHE…

3) Если стоит задача закодировать каждую аминокислоту с помощью нуклеотидов, то она сводится к тому, как с помощью 4 букв закодировать 20 букв. Это можно сделать, сопоставляя буквам 20-ти буквенного алфавита слова, составленные из нескольких букв 4-х буквенного алфавита.

Если одну аминокислоту кодировать одним нуклеотидом, то можно закодировать только четыре аминокислоты.

Если каждой аминокислоте сопоставлять два подряд идущих в цепи РНК нуклеотида, то можно закодировать шестнадцать аминокислот. Действительно, если имеется четыре буквы (A, U, G, C), то количество их разных парных комбинаций будет 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), (UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC). Это значит, что таким кодом (двухбуквенным словом) можно закодировать только 16 разных аминокислот: каждой будет соответствовать свое слово (два подряд идущих нуклеотида).

Из математики формула, позволяющая определить количество комбинаций, выглядит так: ab = n. Здесь n — количество разных комбинаций, a — количество букв алфавита (или основание системы счисления), b — количество букв в слове (или разрядов в числе). Если подставить в эту формулу 4-х буквенный алфавит и слова, состоящие из двух букв, то получим 42 = 16.

Если в качестве кодового слова каждой аминокислоты использовать три подряд идущих нуклеотида, то можно закодировать 43 = 64 разных аминокислот, так как 64 разных комбинации можно составить из четырех букв, взятых по три (например, AUG, GAA, CAU, GGU и т. д.). Это уже больше, чем достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Именно трехбуквенный код используется в генетическом коде. Три подряд идущих нуклеотида, кодирующих одну аминокислоту, называются триплетом (или кодоном).

Каждой аминокислоте сопоставляется определенный триплет нуклеотидов. Кроме того, поскольку комбинаций триплетов с избытком перекрывают количество аминокислот, то многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами.

Три триплета не кодируют ни одну из аминокислот (UAA, UAG, UGA). Они обозначают конец трансляции и называются стоп-кодонами (или нонсенс-кодонами).

Триплет AUG кодирует не только аминокислоту метионин, но и инициирует трансляцию (играет роль старт-кодона).

Ниже приведены таблицы соответствия аминокислот триплетам нуклеоитидов. По первой таблице удобно определять по заданному триплету соответствующую ему аминокислоту. По второй — по заданной аминокислоте соответствующие ей триплеты.

Рассмотрим пример реализации генетического кода. Пусть имеется иРНК со следующим содержанием:

AUGGAUUCUACCUGGUUAUUGAAAAAUCAGUAG

Разобьем последовательность нуклеотидов на триплеты:

AUG-GAU-UCU-ACC-UGG-UUA-UUG-AAA-AAU-CAG-UAG

Сопоставим каждому триплету кодируемую им аминокислоту полипептида:

Метионин — Аспаргиновая кислота — Серин — Треонин — Триптофан — Лейцин — Лейцин — Лизин — Аспарагин — Глутамин

Последний триплет является стоп-кодоном.

Альтернативные кодоны в других таблицах перевода

Когда-то считалось, что генетический код универсален: кодон будет кодировать одну и ту же аминокислоту независимо от организма или источника. Однако сейчас все согласны с тем, что генетический код развивается, что приводит к расхождениям в том, как кодон транслируется в зависимости от генетического источника. Например, в 1981 году было обнаружено, что использование кодонов AUA, UGA, AGA и AGG системой кодирования в митохондриях млекопитающих отличается от универсального кода. Стоп-кодоны также могут быть затронуты: у реснитчатых простейших универсальные стоп-кодоны UAA и UAG кодируют глутамин. В следующей таблице показаны эти альтернативные кодоны.

История

Генетический код

Попытки понять, как кодируются белки, начались после того , как в 1953 году была открыта структура ДНК . Джордж Гамов постулировал, что для кодирования 20 стандартных аминокислот, используемых живыми клетками для создания белков, необходимо использовать наборы из трех оснований, что позволило бы получить максимум 4 3 = 64 аминокислоты.

Кодоны

Крика, Бреннер, Барнетта и Уоттс-Тобин эксперимент впервые продемонстрировали , что кодоны состоят из трех оснований ДНК. Маршалл Ниренберг и Генрих Дж. Маттай были первыми, кто раскрыл природу кодона в 1961 году.

Они использовали бесклеточной системы для перевода с поли урацил РНК — последовательности (т.е. UUUUU …) и обнаружил , что полипептид , который они синтезировали состоял только из аминокислоты фенилаланина . Таким образом, они пришли к выводу, что кодон UUU определяет аминокислоту фенилаланин.

За этим последовало экспериментов в Северо Очоа лаборатории о том , что показано , что поли — аденин — последовательность РНК (ААААА …) кодируется для полипептида поли- лизина и что поли цитозин последовательности РНК (ККККК …) кодируется для полипептид поли- пролина . Следовательно, кодон AAA определяет аминокислоту лизин , а кодон CCC определяет аминокислоту пролин . Затем с использованием различных сополимеров было определено большинство оставшихся кодонов.

Последующая работа Хар Гобинд Хорана определила остальную часть генетического кода. Вскоре после этого Роберт У. Холли определил структуру транспортной РНК (тРНК), адапторной молекулы, которая облегчает процесс трансляции РНК в белок. Эта работа была основана на более ранних исследованиях Очоа, которые принесли последнему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1959 году за работу по энзимологии синтеза РНК.

Продолжая эту работу, Ниренберг и Филип Ледер раскрыли триплетную природу кода и расшифровали его кодоны. В этих экспериментах различные комбинации мРНК пропускались через фильтр, содержащий рибосомы , компоненты клеток, которые переводят РНК в белок. Уникальные триплеты способствовали связыванию специфических тРНК с рибосомой. Ледер и Ниренберг в своих экспериментах смогли определить последовательности 54 из 64 кодонов. Хорана, Холли и Ниренберг получили Нобелевскую премию 1968 года за свою работу.

Три стоп-кодона были названы первооткрывателями Ричардом Эпштейном и Чарльзом Стейнбергом. «Янтарь» был назван в честь их друга Харриса Бернстайна, фамилия которого в переводе с немецкого означает «янтарь». Два других стоп-кодона были названы «охра» и «опал», чтобы сохранить тему «названий цветов».

Расширенные генетические коды (синтетическая биология)

В широкой академической аудитории широко принята концепция эволюции генетического кода от исходного и неоднозначного генетического кода к четко определенному («замороженному») коду с репертуаром из 20 (+2) канонических аминокислот. Однако есть разные мнения, концепции, подходы и идеи, что лучше всего изменить экспериментальным путем. Предлагаются даже модели, которые предсказывают «точки входа» для инвазии синтетических аминокислот в генетический код.

С 2001 года 40 неприродных аминокислот были добавлены в белок путем создания уникального кодона (перекодирования) и соответствующей пары трансфер-РНК: аминоацил-тРНК-синтетаза, чтобы кодировать его с различными физико-химическими и биологическими свойствами для использования в качестве инструмент для изучения структуры и функции белков или для создания новых или улучшенных белков.

Х. Мураками и М. Сисидо расширили некоторые кодоны до четырех и пяти оснований. Стивен А. Беннер сконструировал функциональный 65-й ( in vivo ) кодон.

В 2015 году Н. Будиса , Д. Сёлль и соавторы сообщили о полной замене всех 20 899 остатков триптофана (кодонов UGG) на неестественный тиенопирролаланин в генетическом коде бактерии Escherichia coli .

В 2016 году был создан первый стабильный полусинтетический организм. Это была (одноклеточная) бактерия с двумя синтетическими основаниями (называемыми X и Y). Основания пережили деление клеток.

В 2017 году исследователи из Южной Кореи сообщили, что они создали мышь с расширенным генетическим кодом, которая может производить белки с неестественными аминокислотами.

В мае 2019 года исследователи, предприняв знаковые усилия, сообщили о создании новой (возможно, ) формы жизнеспособной жизни , варианта бактерии Escherichia coli , путем сокращения естественного числа 64 кодонов в бактериальном геноме до 59 кодонов. вместо этого, чтобы кодировать 20 аминокислот .

Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении

Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). Ранее мы говорили о том, что структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка

Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время, когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).

Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур.

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г.

И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот — хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

│

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) Рибонуклеиновая кислота (РНК)

ДНК и РНК – полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Строение нуклеотида – мономера нуклеиновых кислот:

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК.

Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц.

Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат.

complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание.

Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

ДНК РНК

А = Т А = У

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых.

Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т.е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация).

Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки.

Худеть без диет возможно?

Взгляд непроизвольно задерживается на всяких рекламах о моментальном похудании, об очищении организма от шлаков, о чудодейственных тренажерах, но… Ты же сам читал, что почти 80% биодобавок, ввозимых в Россию, — это контрабанда и контрафакт. Садиться на жесткую диету, пить лимонный сок с оливковым маслом и лежать сначала с грелкой, а потом часами сидеть в клозете, тебе вообще никогда в голову не приходило.

Про очистительные клизмы лучше просто умолчать — это, знаете, на любителя. Может, все-таки купить крутой тренажер, записаться в зал, заняться:

• теннисом
• плаванием
• бегом
• фитнесом.

Да, но где на это взять время, да и давление что-то скачет… В общем, лучше зеркало развернуть к стене и купить костюмчик посвободней, а тому кто «докопается» до твоей внешности можно и в репу дать.

Оказывается, знающие люди, среди которых известные:

• топ-модели
• артисты
• режиссеры
• адвокаты
• бизнесмены

давно не потеют в спортзалах и фитнес-центрах, не сидят на голодном пайке, не глотают пилюли для сжигания жира, едят сладости и мясо, и… худеют, обретая красоту, энергию и наливаясь здоровьем. Скажете, нет такого способа? Есть — утверждает суперсовременная методика под «кодовым» названием гемокод.

Редактирование обязательно делать в самом организме?

Нет. Во время одного из самых первых испытаний редактора генома учёные забирали клетки из крови пациента, выполняли необходимые генетические корректировки и вводили исправленные клетки обратно. Такой метод выглядит многообещающим для лечения для людей, живущих с ВИЧ. Когда вирус попадает в организм, он инфицирует и убивает иммунные клетки. Но чтобы инфицировать иммунную клетку, ВИЧ сначала должен прицепиться к определённым белкам на её поверхности. Учёные выделили иммунные клетки из крови пациента и использовали редактор генома, чтобы вырезать ту ДНК, которая нужна клеткам для образования этих поверхностных белков. Без них ВИЧ не может получить доступ к клеткам.

Подобный способ может использоваться для борьбы с некоторыми типами рака: иммунные клетки выделяются из крови пациента и редактируются так, что они больше не могут синтезировать поверхностные белки, к которым цепляются раковые клетки. Отредактировав иммунные клетки и сделав из них «убийц рака», учёные размножают их и вводят обратно в организм пациента. Прелесть модифицирования клеток вне организма в том, что всё можно перепроверить до того, как вводить обратно, чтобы убедиться, что процесс редактирования проведён верно.

Основная суть методики гемокода

Отправная идея «гемокодчиков» не нова. Еще древние утверждали, что «мы — это то, что мы едим», то есть, все твои болячки, лишний вес, нездоровый вид, преждевременное старение идут от неправильного питания. Причем, даже если какие-то продукты полезны для твоего соседа, для тебя они могут оказаться только что не ядом. Как с этим разобраться? Конечно же, с помощью гемокод-диагностики!

Непереносимость того или иного продукта — это борьба клеток нашей крови (лейкоцитов-нейтрофилов) с его частицами, которые вы проглотили во время ланча. Чтобы узнать с какими именно продуктами будет воевать ваш организм, вы должны пойти и просто сдать примерно 20 мл крови на гемокод-тест, заплатив, разумеется, деньги.

Спустя неделю, вы получите на руки два списка продуктов, один красненький, а другой зелененький. Чем выше находится продукт питания в красном списке, тем он для вас вреднее. Соответственно первые места в зеленом списке занимает не просто полезная пища, а пища, полезная индивидуально для вас.

Тест основан на том, что кровь соединяется с экстрактом каждого продукта

К алкоголю и пище из красного списка вам категорически запрещено притрагиваться в течение шести недель, зато «зеленую» еду загружайте в себя сколько хотите. За это время организм:

• воспрянет
• самоотрегулируется
• самоочистится

и большинство ваших проблем с весом, недомоганиями и проч. будут решены.

Если не почувствуете ухудшения самочувствия, переходите к следующему по списку и так до первой строчки. Правда, тут тоже не все просто. Продукты придется чередовать. То есть, поужинав в субботу свиной отбивной, в следующий раз ее можно будет себе позволить только в четверг, а съеденный во вторник соленый огурец снова попадет к вам на стол не раньше выходных.

Напомните-ка, что такое гены?

Ген – это биологический шаблон, который организм использует для создания протеинов и ферментов, необходимых для построения и поддержания тканей и органов. Он представляет собой цепочку генетического кода, обозначаемого буквами G, C, T и A. У человека есть около 20 тысяч генов, сгруппированных в 23 пары хромосом, которые, в свою очередь, содержатся в ядре почти каждой клетки тела. Только около 1.5% нашего генетического кода, или генома, состоят из генов. Ещё 10% регулируют их, удостоверяясь, например, что гены включаются и выключаются в нужных клетках в нужное время. Остальная часть ДНК, судя по всему, бесполезна. «Бóльшая часть нашего генома не делает ничего, – говорит Джертон Лантер, генетик из Оксфордского Университета. – Это просто осколок эволюции».

Решение проблемы кармического долга

Проблема, с которой предок не справился в возрасте от 35 до 45 лет, проявится в судьбе внуков в несколько ослабленном виде, а те невзгоды, с которыми мы безуспешно боремся после 45 годков, отзовутся в жизни наследников депрессиями, но жизнь кардинально не изменят. Зато будут повторяться из поколения в поколение. Сколько? Существует закон: родовая задача должна быть решена в рамках двенадцати поколений. Если за это время с ней так и не удалось разобраться, род прерывается. Любым способом: представители последнего поколения «исповедуют» нетрадиционную сексуальную ориентацию, остаются бездетны, гибнут в раннем возрасте. В общем, у судьбы немало способов уничтожить не оправдавший доверия род людской.

Сейчас мы говорили о схеме. На деле же закономерности наследования крайне сложны, для того, чтобы вычислить их алгоритм, приходится прибегать к сложным математическим расчётам. В гемограмме (а значит, и генетическом коде) заложено всё — от личных драм до болезней и несчастных случаев, причём с точными датами — когда вас накроет волна. Потому что и тяжёлые болезни, и бедность, и патологическое невезение — всё это можно просчитать, а следовательно, и скорректировать.

Как это получается? Проблемы и задачи, встающие перед нами, — не проклятие небес и не злокозненность неких высших сил. Это — шанс проработать родовую программу. Бегство от проблемы (и болезнь, и несчастный случай, и разорение — тоже ведь варианты отступления!) — не выход. Жизнь будет подсовывать вам подобные ситуации, ведя по замкнутому кругу. Разумеется, проблемы мы получаем не только по наследству. Мы ещё и приобретаем их по ходу дела — и едва ли не на каждом шагу. Самый распространенный способ привлечения проблем — это оказать помощь из жалости. Почему? Объясняем.

Прежде всего, необходимо понять: если проблема возникла — она имеет решение. И если она встала перед вами — у вас хватит сил найти выход. Это — закон. Проблемы, с которыми мы сталкиваемся в жизни, — это пути решения наших родовых задач.

Когда мы помогаем человеку из жалости, мы тем самым признаем, что обрушившиеся испытания ему не по плечу. Что само по себе унизительно: получается, он ущербен. В этом случае вы не решаете его проблему, а лишь «загоняете болезнь внутрь». То есть делаете хуже не только ему, но и его… внукам. Ну а заодно получаете проблемы сами.

Так что же, быть жестокосердым? Плевать на ближних и дальних?

Ни в коем случае. Подумайте, из каких побуждений вы помогаете людям? Если из жалости — откажитесь от такой помощи. А вот если вами движет любовь, дружба или просто хорошее отношение к человеку, то помочь нужно обязательно. Такая помощь предполагает, что вы считаете человека равным себе, верите в него. И помогаете не потому что он убогий, сам не справится, а потому, что готовы разделить его ношу. Если близкий столкнулся с проблемой, значит, это и ваша проблема: шанс научиться решать её, пока она не возникла на вашем собственном пути. Так, помогая ему, вы помогаете себе. И не только себе! Решая родовые задачи, вы избавляете от этой тяжкой ноши своих детей и внуков. Им ведь уже не придется отдуваться за бабушек, дедушек и за вас самих. А это — лучшее наследство, которое вы можете им оставить.

Кармические долги

Собственно говоря, генетики неожиданно научно доказали существование кармы. Кармические долги — это и есть те программы, которые нам приходится отрабатывать (за дядю, за тётю и прочих родственников).

Прежде всего, родители — не носители, а «передатчики» генетической информации: наследование идёт через поколение. То есть, внуки получат и нерешённые проблемы бабушки с дедушкой, и реализацию их мечтаний. Схематически всё это выглядит так. Бабушка мечтала стать актрисой — внучка окажется на сцене, пусть даже на ролях «кушать подано». Дед пережил развод — и внуку придётся пройти через семейную драму.

Причём, очень важно, когда именно у предка случилось несчастье, с которым он не сумел справиться. Наиболее «опасен» возраст до 35 лет: все дедушкины шишки внук получит со стопроцентной гарантией

Внешне это может выглядеть совершенно дико, нелогично: у человека внезапно, как бы беспричинно круто меняется жизнь. К худшему, разумеется. Например, несчастье случилось с дедом, когда ему было 28 лет. До 28 внучек живёт и в ус не дует, а строго в этот год у него всё рушится: бизнес, личная жизнь, здоровье.

Конечно, речь не о том, что его судьба полностью повторит судьбу деда. Но перед ним встанет проблема, которую не сумел решить предок, а уж «условия задачи» могут быть совершенно иными.

Например, дед в этом возрасте спился — то есть не смог решить проблему алкогольной зависимости. У внука также возникает зависимость — от игры, от человека (роковая любовь), от наркотиков… То есть происходит перекодировка судьбы: его жизнь как бы перескакивает на другие рельсы — на путь, который должен был пройти дед. И пока он не решит в собственной жизни дедушкину проблему, он на свою дорогу не вернётся. Если же и ему не удастся «победить дракона», задачка достанется его потомкам.