Группа азотистых оснований которая кодирует одну аминокислоту. Нуклеотидно-аминокислотный код и его свойства
В каждой клетке синтезируется несколько тысяч различных белковых молекул. Белки недолговечны, время их существования ограничено, после чего они разрушаются. Способность синтезировать строго определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов в ДНК.
В геноме человека менее 100 000 генов, которые находятся в 23 хромосомах. Одна хромосома содержит несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке в определенных участках хромосомы - локусах .
Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомальных РНК.
Итак, последовательность нуклеотидов каким-то образом кодирует последовательность аминокислот. Все многообразие белков образовано из 20 различных аминокислот, а нуклеотидов в составе ДНК - 4 вида. Если предположить, что один нуклеотид кодирует одну аминокислоту, то 4 нуклеотидами можно закодировать 4 аминокислоты, если 2 нуклеотида кодируют одну аминокислоту, то количество кодируемых кислот возрастает до 4 2 - 16. Значит, код ДНК должен быть триплетным. Было доказано, что именно три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, в этом случае можно будет закодировать 4 3 - 64 аминокислоты. А так как аминокислот всего 20, то некоторые аминокислоты должны кодироваться несколькими триплетами.
В настоящее время известны следующие свойства генетического кода:
1. Триплетность : каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов.
2. Однозначность : кодовый триплет, кодон, соответствует только одной аминокислоте.
3. Вырожденность (избыточность): одну аминокислоту могут кодировать несколько (до шести) кодонов.
4. Универсальность : генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли.
5. Неперекрываемость : последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов. (Жил был кот тих был сер мил мне тот кот);
6. Из 64 кодовых триплетов 61 кодон - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные, не кодируют аминокислоты, терминирующие синтез полипептида при работе рибосомы (УАА, УГА, УАГ). Кроме того, есть кодон - инициатор (метиониновый), с которого начинается синтез любого полипептида.
Таблица 7.
Генетический код
Первый нуклеотид в триплете - один из четырех левого вертикального ряда, второй - один из верхнего горизонтального ряда, третий - из правого вертикального.
В начале 50 гг. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии:
ДНК®РНК®белок.
Информация о белке находится на ДНК, на матрице ДНК синтезируется иРНК, которая является матрицей для синтеза белковой молекулы. Матричный синтез позволяет очень точно и быстро синтезировать макромолекулы полимеров, состоящие из огромного количества мономеров. С реакциями матричного синтеза мы встречались при удвоении молекулы ДНК, синтез иРНК (транскрипция ) и синтез молекулы белка на иРНК (трансляция ) - также реакции матричного синтеза.
Транскрипция. В соответствии с принятыми соглашениями, начало гена на схемах изображают слева (рис. 292). У некодирующей цепи молекулы ДНК левый конец 5", правый 3"; у кодирующей, матричной, с которой идет транскрипция - противоположное направление. Фермент, отвечающий за синтез иРНК, РНК-полимераза , присоединяется к промотору , который находится на 3"-конце матричной цепи ДНК и движется всегда от 3" к 5" концу. Промотор - определенная последовательность нуклеотидов, к которой может присоединиться фермент РНК-полимераза. Необходим для того, чтобы синтез иРНК был начат строго в начале гена. Из свободных рибонуклеозидтрифосфатов (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ), комплементарных нуклеотидам ДНК, РНК-полимераза образует иРНК.
| Рис. 292. Транскрипция, схема образования иРНК на матрице ДНК. |
Энергия для синтеза иРНК содержится в макроэргических связях рибонуклеозидтрифосфатов. Период полураспада мРНК исчисляется часами и даже сутками, т.е. они стабильны.
Транскрипция и трансляция разобщены в пространстве и во времени, транскрипция протекает в ядре и в одно время, трансляция происходит в цитоплазме и совсем в другое время. Для транскрипции необходимы: 1 - кодирующая цепь ДНК, матрица; 2 - ферменты, один из них РНК-полимераза; 3 - рибонуклеозидтрифосфаты.
Трансляция
Трансляция - процесс образования полипептидной цепи на матрице иРНК, или преобразование информации, закодированной в виде последовательности нуклеотидов иРНК, в последовательность аминокислот в полипептиде. Синтез белковых молекул происходит в цитоплазме или на шероховатой эндоплазматической сети. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки, белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК , тРНК. В клетке их более 30 видов, длина тРНК от 76 до 85 нуклеотидных остатков, они имеют третичную структуру за счет спаривания комплементарных нуклеотидов и по форме напоминают лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок . На верхушке антикодоновой петли каждая тРНК имеет антикодон , комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3"-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединить именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты , присоединяющие аминокислоту к тРНК.
Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодовым триплетом, теоретически может иметься 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами, то есть у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне не всегда важен). Обнаружено всего более 30 различных тРНК (рис. 293).
Органоиды, отвечающие за синтез белков в клетке - рибосомы . У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах - митохондриях и пластидах (70-S рибосомы) и в цитоплазме: в свободном виде и на мембранах эндоплазматической сети (80-S рибосомы). Малая субчастица рибосомы отвечает за генетические , декодирующие функции ; большая - за биохимические , ферментативные .
В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три в пептидильном и три в аминоацильном участках.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5"-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК с аминокислотой метионин (рис. 294). Любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин , который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.Затем происходит присоединение большой субчастицы рибосомы и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субчастицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ (рис. 295).
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. Затем все повторяется, образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает стоп-кодон (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения, белковая цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субчастиц рибосомы.
Многие белки синтезируются в виде предшественников, содержащих ЛП - лидерную последовательность (15 - 25 аминокислотных остатков на N-конце, «паспорт белка»). ЛП определяют места назначения белков, "направление" белка (в ядро, в митохондрию, в пластиды, в комплекс Гольджи). Затем протеолитические ферменты отщепляют ЛП.
Скорость передвижения рибосомы по иРНК - 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе принимали участие 10 человек в течение трех лет.
Таким образом, для трансляции необходимы: 1 - иРНК, кодирующая последовательность аминокислот в полипептиде; 2 - рибосомы, декодирующие иРНК и образующие полипептид; 3 - тРНК, транспортирующие аминокислоты в рибосомы; 4 - энергия в форме АТФ и ГТФ для присоединения аминокислот к рибосоме и для работы рибосомы; 5 - аминокислоты, строительный материал; 6 - ферменты (аминоацил-тРНК-синтетазы и др.).
Клеймо создателя Филатов Феликс Петрович
Глава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)
Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII)
Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько заинтриговавшее его начало книжки оборачивается страницами из учебника для старших классов, способными привести в уныние любого, кто вспомнит родную школу. Искушенному же Читателю, напротив, все рассказанное хорошо известно, и он, грешным делом, подумывает, не написать ли самому учебник посвежее – для тех же старших классов. Не мысля гордый свет забавить – другими словами, не имея намерения вогнать в скуку того и другого, Автор хотел бы подчеркнуть, что понимает: дьявол скрывается в деталях. Но их так много в молекулярной биологии, что любая формализация кажется возмутительным упрощением. Однако, часто бывает, что соблазн формализации неодолим, и тут Автор не может отказать себе в удовольствии еще раз процитировать испанского философа Хосе Ортегу-и-Гассета:
«Серый цвет аскетичен. Такова его символика в обыденном языке, на этот символ и намекает Гете: „Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо“. Самое большее, на что способен цвет, не желающий быть цветом, – стать серым; зато жизнь представляется зеленым деревом – какая экстравагантность!.. Элегантное желание предпочесть серый цвет чудесной и противоречивой цветовой экстравагантности жизни приводит нас к теоретизированию. В теории мы обмениваем реальность на тот ее аспект, каким являются понятия. Вместо того чтобы в ней жить, мы о ней размышляем. Но как знать, не скрывается ли за этим явным аскетизмом и удалением от жизни, каким является чистое мышление, наиболее полная форма жизненности, ее высшая роскошь?»
– Браво, Хосе! Именно так я и думаю – даже убежден в этом.
Формализации, теоретизированию, схемам, дизайну генетического кода посвящена основная, хотя и меньшая по объему, оставшаяся часть книги, к которой Автор сейчас переходит. Первая формальная гипотеза структуры генетического кода представляет собой возможный ответ на вопрос, почему кодируемых аминокислот именно двадцать .
В 1954 году Гамов первым показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации ». Он был первым, кто предположил кодирование аминокислот триплетами нуклеотидов и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых уч?ных дожив?т до его [генетического кода] расшифровки» . В 1968 году американцы Роберт Холли, Хар Корана и Маршалл Ниренберг получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода. Премия была присуждена уже после смерти Георгия Гамова в том же году четырьмя месяцами ранее.
Числа 64 (теоретическая емкость кода) и 20 (фактическая кодирующая емкость, то есть количество кодируемых аминокислот) составляют соотношение правил комбинаторики для размещений и сочетаний с повторами: число А размещений (упорядоченных наборов) с повторами из r (r = 3; размер кодона) элементов множества М, содержащего k (k = 4; число оснований) элементов, равно
A k r = k r = A 4 3 = 64,
а число С сочетаний с повторами из k элементов по r, т. е. любое подмножество из 3 элементов множества, содержащего 4 элемента, равно:
С k r = [(k+r-1)!] : = С 4 3 = 20.
Это немедленно подводит к мысли о том, что эволюция генетического кода могла начаться с этапа «наборного» кодирования, когда продукт кодировался не последовательностью оснований триплета, а их набором, то есть две такие группы кодонов, как например, САА , АСА , ААС или TGC , TCG , GCT , GTC , CTG , CGT были функционально равнозначны (внутри группы) и направляли синтез одной и той же аминокислоты каждый. Подобные соображения приходят в голову при чтении работ Ишигами и Нагано (1975) – с их идеей о том, что каждая первичная аминокислота могла соответствовать широкому набору кодонов, а также Фолсома (1977) и Трейнора (1984) – с их идеей пермутации оснований в рамках триплета. Очевидно, что меньшее число кодонов не обеспечивало необходимого разнообразия продуктов, а бо льшее было избыточно и, по крайней мере, не соответствовало числу известных сегодня аминокислот. В свое время мы также внесли (очень) скромную лепту в эти идеи, отметив, что число сочетаний из 4 по 3 с повторами иллюстрируется числом квантовых состояний Бозе-газа из трех частиц с четырьмя вероятными собственными квантовыми состояниями54.
Позднее Гамов предложил схему реализации генетического кода, которая предусматривала сборку полипептида непосредственно на молекуле ДНК. По этой модели, каждая аминокислота помещается в ромбической выемке между четырьмя нуклеотидами, по два от каждой из комплементарных цепей. Хотя такой ромб состоит из четыр?х нуклеотидов и, следовательно, число сочетаний равно 256, из-за ограничений, связанных с водородными связями нуклеотидных остатков, возможными оказываются как раз 20 вариантов таких ромбов. Эта схема, получившая название бубнового кода , предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, однако, что эта модель Гамова также не согласуется с опытными данными.
Если бы емкость генетического кода использовалась без остатка, то есть каждому триплету соответствовала бы только одна аминокислота, его защищенность была бы весьма сомнительна: любая нуклеотидная мутация могла оказаться катастрофической. В случае же действующей версии треть случайных точечных мутаций приходится на последние буквы кодонов, половина которых (кодоны октета I ) к мутациям не чувствительна вовсе: третья буква кодона может быть любой из четырех – T , C , A или G . Устойчивость к точечным мутациям кодонов октета II в значительной степени определяется двумя факторами – (1) возможностью произвольной замены третьего основания (правда, уже при выборе только из двух – либо пуринов, либо пиримидинов), не меняющей кодируемой аминокислоты вовсе, и (2) возможностью замены пуринов на пиримидины и наоборот, которая сохраняет близкую гидрофильность/гидрофобность продуктов, хотя и не сохраняет их массы. Таким образом, Природа использует чрезвычайно удачный «люфт», называемый вырожденностью кода, когда кодируемому знаку соответствует более, чем один кодирующий.
Эволюция последовательно уточняла функции каждого из трех оснований кодона, что, в конечном счете, привело строгой триплетности только двух кодонов: ATG – для M (метионина) и TTG – для W (триптофана). По способности триплета кодировать только одну аминокислоту отнесем эти два к группе вырожденности I . Когда продукт кодируется фиксированным дублетом оснований, а третье может быть любым из четырех возможных и фактически служит разделителем между функциональными дублетами, говорят об аминокислотах группы вырожденности IV ; таких аминокислот восемь: аланин, A , аргинин, R , валин, V , глицин, G , лейцин, L , пролин, P , серин, S , треонин, T . Обобщенный кодон для каждой аминокислоты этой группы, например, лейцина, записывается так: СТ N (N -произвольное основание).
Двенадцать кодируемых продуктов относятся к группе вырожденности II ; в этой группе третье основание – одно из двух (а не из четырех , как в предыдущем случае): это пурин (R ), то есть, либо аденин, А , либо гуанин, G , – или пиримидин (Y ), то есть, либо цитозин, С , либо тимидин, Т . К этой группе относятся три аминокислоты, знакомые нам по четвертой группе вырожденности, – аргинин, лейцин и серин, но кодируемые здесь другими дублетами, две пары – аспарагин/аспарагиновая кислота (N/D ), и глутамин/глутаминовая кислота (Q/E ), а также гистидин H , лизин K , и тирозин Y . Универсальный генетический код относит к этой группе также цистеин С , с его двумя кодирующими триплетами – TGC и TGT , то есть, с третьим пиримидином, а также три стоп-кодона, TAG , TAA и TGA , которые работают только как пунктуационные знаки, фиксирующие окончание гена, но не кодирующие никакой аминокислоты. Обобщенный кодон для аминокислот этой группы, например, аспарагина, записывается так: AAY , а аспарагиновой кислоты – GAR .
Наконец, группа вырожденности III содержит изолейцин, кодируемый тремя триплетами ATA , ATC и ATT . Основания А , С и Т , третьи в кодонах для I , имеют общий символ Н , поэтому обобщенный изолейциновый кодон записывается так: АТН . Все эти особенности кода хорошо иллюстрирует приведенная выше его таблица.
Любопытно, что молекулярная масса кодируемой аминокислоты находится в обратной зависимости от номера группы вырожденности, к которой она относится (В. Щербак). Это первое, отмечаемое здесь, свидетельство очевидной причастности молекулярной массы компонентов генетического кода к его рациональной организации.
В приведенной табличке упорядоченность по нарастанию молекулярной массы относится к аминокислотам в составе упорядоченных по номерам групп вырожденности (римские цифры), сгруппированным в два октета (арабские цифры). При этом позиция цистеина С скорректирована, о чем речь будет идти в следующей главе; там же мы расскажем и об октетах.
Возвращаясь к выбору именно двадцати аминокислот для кодирования, стоит отметить еще одно интересное обстоятельство: этот выбор мог определяться также квантовой теорией информации, которая предлагает оптимальный алгоритм (алгоритм Гровера) упаковки и чтения информационного содержания ДНК (Апурва Патель, 2001). Такой алгоритм определяет число объектов N , различаемое числом ответов да/нет на вопросы Q , следующим образом:
(2Q +1) sin -1 (1 / ?N) = ? /2 .
Решения этого уравнения для малых значений Q весьма характерны:
Q = 1lnN = 04.0
Q = 2lnN = 10.5
Q = 3lnN = 20.2.
Теоретически эти значения не обязательно должны быть целыми числами. Любопытно, что в первом приближении они соответствуют последовательности тетраэдрических чисел, а также эволюции функционального размера кодона от синглетного к триплетному. Другими словами, тетраэдр также можно построить из десяти и из четырех мономеров; эти числа и отмечены в решениях приведенного уравнения. Позднее мы покажем, что комбинация размерных параметров аминокислот и нуклеотидов, базирующаяся на предложенных нами правилах, приводит к пространственному равновесию тетраэдра из двадцати мономеров, соответствующих этим аминокислотам. Здесь же стоит, пожалуй, вспомнить актуальные до сих пор слова В?зе (1973): «Представляется почти жестокой шуткой, что Природа выбрала такое число [кодируемых ] аминокислот, какое легко получается в результате множества
математических операций ». Но, так или иначе, двадцати альфа-аминокислот (из сотен, встречающихся в природе) оказалось довольно для обеспечения необходимого разнообразия белков.
…………………
Число 496 , которым обозначена эта глава, интересно тем, что оно относится к классу так называемых совершенных чисел , и это единственное трехзначное совершенное число. Совершенным называют натуральное число, равное сумме всех своих собственных делителей (т. е. всех положительных делителей, отличных от самого? числа). Сумма всех делителей числа 496 , то есть, 1+2+4+8+16+31+62+124+248, равна ему самому. Мы вспомнили о совершенных числах и отмечаем уникальность именно этого числа, потому что оно, во-первых, трехзначно – как трехзначны кодирующие элементы, о которых мы говорим, а во-вторых, как и все предыдущие упомянутые здесь числа, оно – случайно или нет – характеризует один из формальных параметров генетического кода, о которых мы будем говорить дальше. Терпение читателя небезгранично, и Автор вспоминает в связи с этим выдержку из письма одного из читателей известному популяризатору математики Мартину Гарднеру: Перестаньте отыскивать интересные числа! Оставьте для интереса хотя бы одно неинтересное число ! Но соблазн велик, и трудно удержаться.
Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора Из книги Путешествие в прошлое автора Голосницкий Лев ПетровичДвадцать пять миллионов лет назад Жарко в июльский полдень в казахстанской степи. Все залито солнечным блеском: холмистая равнина, расположенные во впадинах и окаймленные камышом озера, желтые участки песков, поросшие саксаулом.Холмы обрываются в сторону озер крутыми
Из книги Фармацевтическая и продовольственная мафия автора Броуэр ЛуиДвадцать основных причин освобождения от армейской службы во всех призывных пунктах за 1986 г. №п/п Заболевания и патологические состояния Число лиц, освобожденных от армейской службы Отношение лиц, освобожденных от армейской службы, - к лицам, годным к службе,
Из книги КЛЕЙМО СОЗДАТЕЛЯ. Гипотеза происхождения жизни на Земле. автора Филатов Феликс ПетровичГлава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII) Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько
Из книги Пароль скрещенных антенн автора Халифман Иосиф АроновичДВАДЦАТЬ ПЯТЬ ЛЕТ СПУСТЯ ПРОХОДЯТ годы, и крохотная, величиной с наперсток, затерянная в почве зародышевая камера разрастается, становится заметным холмиком. Он наглухо облицован сверху глиной, песком, цементом, и в этой мертвой снаружи и немой, как камень, глыбе течет
Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий ПавловичЧто означает выражение «двадцать пятый кадр»? Впервые этот термин появился в середине минувшего столетия в США и относился к кино. Дело в том, что киносъемочная камера и соответственно проекционный киноаппарат продвигают пленку со скоростью 24 кадра в секунду. Но в 1957
Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович Из книги автораГлава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и
Из книги автораВсасывание аминокислот. Происходит путем активного транспорта с участием переносчиков. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30–50 мин после приема белковой пищи. Перенос через щеточную каемку осуществляется целым рядом переносчиков, многие
Из книги автораНаследственные нарушения транспорта аминокислот Болезнь Хартнупа – нарушение всасывания триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. Так как триптофан служит исходным продуктом для синтеза витамина РР, то основные проявления болезни Хартнупа –
Из книги автораПути обмена аминокислот в тканях Аминокислоты – это бифункциональные соединения, содержащие аминную и карбоксильную группу. Реакции по этим группам являются общими для различных аминокислот. К ним относят:1. по аминной группе – реакции дезаминирования и
Из книги автораТрансаминирование аминокислот Трансаминирование – реакции переноса a-аминогруппы с аминокислоты на a-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы. Это сложные ферменты, коферментом
Из книги автораДезаминирование аминокислот Дезаминирование аминокислот – реакция отщепления a-аминогруппы от аминокислоты с выделением аммиака. Различают два типа реакций дезаминирования: прямое и непрямое.Прямое дезаминирование – непосредственное отщепление аминогруппы от
Из книги автораНепрямое дезаминирование аминокислот Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно глутамату. Аминогруппы таких аминокислот перносятся на?-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому
Из книги автораДекарбоксилирование аминокислот Некоторые аминокислоты и их производные могут подвергаться декарбоксилированию. Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами, нуждающимися в пиридоксальфосфате в качестве кофермента.
Из книги автораГлава 25. Метаболизм отдельных аминокислот Метаболизм метионина Метионин – незаменимая аминокислота. Метильная группа метионина – мобильный одноуглеродный фрагмент, используемый для синтеза ряда соединений. Перенос метильной группы метионина на соответствующий
соотнесите вещества и структуры участвующие в синтезе белка, с их функциями проставив рядом с цифрами нужные буквы 1) участок ДНК3)РНК-ПОЛИМЕРАЗА
4)Рибосома
5)полисома
7)АМИНОКИСЛОТА
8)Триплет ДНК
А)ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ НА РИБОСОМЫ
Б)место синтеза белка
в) фермент обеспечивающий синтез и-РНК
г)источник энергии для реакции
д)мономер белка
е)группа нуклеотидов кодирующих одну аминокислоту
ж)ген кодирующий информацию о белке
з)группа рибосом место сборки белков
белок вазопрессин состоит из 9 аминокислотных остатков и кодируется такими нуклеотидами с остатками нитратных оснований: ...А-Ц-А-А-Т-А-А-А-А-Г-Т-Т-Т-Т-А-А-Ц-А-Г-Г-А-Г-Ц-А-Ц-Ц-А-... определите сколько нуклеотидов и триплетов в ДНК и какова длина гена, кодирующего синтез вазопрессина.
Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 360 нуклеотидов с тимином (Т), 120 нуклеотидов с аденином (А), 450 нуклеотидов с цитозином (Ц) и 150нуклеотидов с гуанином (Г). Сколько нуклеотидов с тимином, аденином, цитозином и гуанином содержится в 2-х цепях молекулы ДНК? Сколько аминокислот кодирует этот участок молекулы ДНК?
Сколько нуклеотидов содержит ген (обе цепи ДНК), в котором закодирован белок, состоящий из 330 аминокислот? Какую он имеет длину (расстояние междунуклеотидами в ДНК составляет 0,34 нм)? Какое время понадобится для синтеза этого белка, если скорость передвижения рибосомы по и-РНК составляет 6 триплетов в секунду?
Задача № 1.Фрагмент цепи иРНК имеет последовательность нуклеотидов: ЦЦЦАЦЦГЦАГУА. Определите последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
Задача № 2. Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАЦЦЦТЦАЦТТГ. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
Задача № 3
Последовательность нуклеотидов фрагмента цепи ДНК ААТГЦАГГТЦАЦТЦА. Определите последовательность нуклеотидов в и-РНК, аминокислот в полипептидной цепи. Что произойдет в полипептиде, если в результате мутации во фрагменте гена выпадет второй триплет нуклеотидов? Используйте таблицу гент.кода
Практикум-решение задач по теме « Биосинтез белка» (10 класс)
Задача № 4
Участок гена имеет следующее строение: ЦГГ-АГЦ-ТЦА-ААТ. Укажите строение соответствующего участка того белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвёртого нуклеотида?
Задача № 5
Белок состоит из 158 аминокислот. Какую длину имеет кодирующий его ген?
Молекулярная масса белка Х=50000. Определите длину соответствующего гена. Молекулярная масса одной аминокислоты в среднем 100.
Задача № 6
Сколько нуклеотидов содержит ген (обе цепи ДНК), в котором запрограммирован белок инсулин из 51 аминокислоты?
Задача № 7
Одна из цепей ДНК имеет молекулярную массу 34155. Определите количество мономеров белка, запрограммированного в этой ДНК. Молекулярная масса одного нуклеотида в среднем 345.
Задача № 8
Под воздействием азотистой кислоты цитозин превращается в гуанин. Как изменится строение синтезируемого белка вируса табачной мозаики с последовательностью аминокислот: серин-глицин-серин-изолейцин-треонин-пролин, если все цитозиновые нуклеотиды подверглись действию кислоты?
Задача № 9
Какова молекулярная масса гена (двух цепей ДНК), если в одной цепи его запрограммирован белок с молекулярной массой 1500? Молекулярная масса одной аминокислоты в среднем 100.
Задача № 10
Дан фрагмент полипептидной цепи: вал-гли-фен-арг. Определите структуру соответствующих т-РНК, и-РНК, ДНК.
Задача № 11
Дан фрагмент гена ДНК: ЦЦТ-ТЦТ-ТЦА-А… Определите: а) первичную структуру белка, закодированного в этом участке; б) длину этого гена;
в)первичную структуру белка, синтезированного после выпадения 4-го нуклеотида
в этой ДНК.
Задача № 12
Сколько будет кодонов в и-РНК, нуклеотидов и триплетов в гене ДНК, аминокислот в белке, если даны 30 молекул т-РНК?
Задача № 13
Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли т-РНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: АТАГЦТГААЦГГАЦТ. Установите нуклеотидную последовательность участка т-РНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта т-РНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону т-РНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.
Кодирует аминокислотную последовательность белков с помощью нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот. Нуклеотидов всего четыре, а аминокислот - двадцать. Если бы каждая аминокислота кодировалась одним нуклеотидом, то закодировать можно было бы всего 4 аминокислоты. Если бы двумя нуклеотидами, то закодировать можно было бы только 16 аминокислот. Поэтому, чтобы можно было закодировать все необходимые аминокислоты, каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов, которое называется триплетом или кодоном .
Однако триплетов может быть 64, а аминокислот всего 20 (плюс стоп-кодон). Поэтому в генетическом коде возникает избыточность - ситуация, когда одну аминокислоту может кодировать несколько разных триплетов.
Задача
Как вы думаете, для чего эта избыточность может использоваться, какие дополнительные плюсы она дает?
Подсказка
Чем больше существует правильных вариантов написания слова, тем меньше вероятность ошибки.
Решение
Самым первым и очевидным ответом на данный вопрос является слово «стабильность». Если на одну аминокислоту приходится несколько похожих между собой триплетов, значит уменьшается вероятность того, что при точечной мутации в данном триплете мы получим в белке неправильную аминокислоту. Поэтому большинство кодонов, кодирующих одинаковую аминокислоту, отличается друг от друга всего лишь на одну нуклеотидную «букву». Чем больше кодонов кодирует данную аминокислоту, тем выше ее стабильность; поэтому самым большим количеством кодонов кодируются наиболее часто встречающиеся аминокислоты, например лейцин и аргинин; редкие же аминокислоты, например триптофан, наоборот, кодируются одним-единственным кодоном.
Сложно понять, что тут причина, а что следствие: то ли наиболее нужные аминокислоты стали кодироваться бо льшим количеством кодонов (то есть потребность в стабильности привела к этой самой стабильности), то ли, наоборот, чем больше кодонов было у аминокислоты (то есть чем стабильней она была), тем чаще стала встречаться. Очевидно, ответ на этот фундаментальный вопрос сродни ответу на вопрос «что было раньше - курица или яйцо?» и уходит корнями в те доисторические и трудноисследуемые времена, когда только возник и оптимизировался генетический код.
Кроме того, глядя на распределение частоты аминокислот (рис. 1), можно заметить, что, в общем и целом, чем проще по структуре аминокислота, тем чаще она встречается (например, тот же триптофан, имеющий одну из самых «сложносочиненных» структур, встречается реже всего). Это тоже понятно, поскольку простая структура, как правило, означает стабильность; «простую» аминокислоту легче синтезировать и труднее «испортить», чем «сложную».
Однако стабильность и устойчивость к мутациям - это не единственная польза от избыточности генетического кода. Играя с альтернативными кодонами, можно тонко регулировать различные параметры, связанные с работой нуклеиновых кислот. И прежде всего тут нужно упомянуть так называемый «перекос по кодонам» (Codon usage bias).
«Перекос по кодонам» - это ситуация, при которой из нескольких синонимичных кодонов в данном организме отдается предпочтение только одному или двум (рис. 2). Хотя многократно было показано, что для многих организмов такой перекос - обычная ситуация, отчего он происходит, до сих пор толком неясно. Наиболее принятое в научном сообществе объяснение для этого загадочного явления состоит в следующем.
Как известно, каждому кодирующему аминокислоту кодону соответствует своя тРНК . У некоторых организмов есть что-то вроде тРНК-«любимчиков», то есть тРНК для одного из синонимичных кодонов гораздо больше, чем для остальных. Если мы хотим, чтобы данный белок синтезировался быстро и правильно, нам лучше не экспериментировать с редкими кодонами, а собрать его последовательность из самых «попсовых» кодонов, тРНК для которых с большей вероятностью будут проплывать мимо рибосомы и не задержат трансляцию.
«Перекос» по различным тРНК наблюдается прежде всего у быстрорастущих организмов, которые нуждаются в «промышленном» синтезе определенных белков. Причем перекос по кодонам наблюдается прежде всего для белков, экспрессирующихся на высоком уровне, то есть для тех, для которых скорость и качество синтеза особенно важны. При этом природа возникновения перекоса по тРНК до конца не ясна, и что возникло раньше - перекос по кодонам или перекос по тРНК, также совершенно непонятно.
Однако, несмотря на всё изящество, данное объяснение можно подвергнуть справедливой критике. Дело в том, что уровень трансляции белка определяется прежде всего на стадии инициации (когда мРНК только садится на рибосому), а не элонгации (когда к белковой цепи присоединяются новые аминокислоты). А раз элонгация - это не лимитирующая стадия белкового синтеза, то возня с подбором сотен оптимальных кодонов для ее ускорения кажется не совсем оправданной.
Другая версия существования перекоса связана со вторичными структурами, образуемыми мРНК. Комплементарные области мРНК сворачиваются в участки двойной спирали - шпильки. Иногда эти шпильки играют важную роль в регулировке различных внутриклеточных процессов (подробней об этом рассказано в задаче «Форма и содержание»). Однако в общем и целом такие шпильки сильно отравляют существование аппарату белкового синтеза и замедляют трансляцию. Причем легко догадаться, что шпильки, богатые GC-парами (гуанин-цитозиновыми парами), будут держаться друг за друга крепче и расплетаться хуже, чем AU (аденин-урацил) богатые шпильки (потому что гуанин и цитозин связаны друг с другом тремя водородными связями, а аденин и урацил - всего двумя).
Поэтому возможной причиной предпочтения определенных кодонов является такая оптимизация мРНК, при которой на ней будет образовываться как можно меньше шпилек (или, возможно, будут образовываться нужные шпильки в стратегических местах). Особенно важно, чтобы остался «бесшпилечным» участок, кодирующий начало белка, возле которого происходит инициация трансляции, поскольку нарушения в инициации губительны для трансляции в целом (см. об этом совсем свежую статью Daniel B. Goodman, George M. Church, Sriram Kosuri, 2013. Causes and Effects of N-Terminal Codon Bias in Bacterial Genes).
Еще одна загадка перекоса по кодонам связана с тем, что в некоторых случаях отдается явное предпочтение редким кодонам, обычно нехарактерным для данного вида. Одна из версий для объяснения этой странной закономерности состоит в том, что редкие кодоны появляются там, где необходимо замедлить трансляцию (например, там, где проходит граница доменов белка, чтобы предыдущий домен успел свернуться до того, как начнет синтезироваться следующий). Однако, насколько я поняла, серьезных доказательств для этой версии пока нет. Надо отметить, что участки, кодирующие самое начало, N-конец, белка как правило очень богаты редкими кодонами; почему - тоже пока не до конца понятно.
Наконец, еще одна интересная работа свидетельствует, что, по крайней мере для одного организма, цианобактерии Synechococcus elongate , в группе циркадных (управляющих суточными ритмами) генов, наоборот, используется неоптимальный перекос по кодонам - то есть для кодирования данных генов используются не самые популярные кодоны (Yao Xu et al., 2013. Non-optimal codon usage is a mechanism to achieve circadian clock conditionality). Авторы предполагают, что таким образом, с помощью определенных молекулярных механизмов, нарушается экспрессия данных генов в холодных условиях, когда данной цианобактерии выгодней обходиться без суточных ритмов.
Послесловие
Практическое применение перекоса по кодонам прежде всего лежит в сфере биотехнологий. Дело в том, что сплошь да рядом в среде биотехнологов происходят печальные происшествия: какой-то ген, заботливо вставленный в данный организм биотехнологическим способом, наотрез отказывается там экспрессироваться или экспрессируется слишком вяло. Причина часто в том, что исследователи не учитывают несоответствие перекоса по кодонам, характерного для организма-донора (из которого берется ген) и организма-реципиента (в который этот ген вставляется). Изменив последовательность гена нужным образом, вставив туда кодоны, популярные в организме-реципиенте, можно исправить данную ситуацию и добиться высокого уровня экспрессии.
Это может быть полезно в самом широком диапазоне применений — от выращивания белков в бактериальных клетках до генной терапии, при которой в организм вместо поломанной, мутантной версии гена вставляется правильная.
Эта статья — повторение очень важной информации из ранее опубликованного с некоторыми косметическими улучшениями: что такое ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. Без ясного понимания этого вопроса трудно читать некоторые другие генетические посты, поэтому я ОЧЕНЬ советую разобраться в этой теме. На самом деле это совсем несложно.
Итак, мы знаем, что в генах каким-то образом зашифрована инструкция для создания белков и РНК. С РНК все понятно: и ДНК состоит из нуклеотидов, и РНК состоит из них же. Поэтому РНК строится очень просто: напротив одного нуклеотида ДНК пристраивается один [комплементарный] нуклеотид будущей РНК, и так и создается цепочка нуклеотидов, составляющих РНК — один нуклеотид за другим. После этого РНК отсоединяется, проходит финальную обработку и приступает к работе. Тут все ясно.
А как быть с построением белков? Белки ведь состоят не из нуклеотидов, а из аминокислотных остатков. Нуклеотиды и аминокислоты очень сильно отличаются друг от друга, это просто принципиально разные молекулы. Да и к тому же нуклеотидов лишь четыре вида в каждой молекуле ДНК или РНК, а аминокислотных остатков — целых двадцать (и даже немного больше, как мы уже знаем). Значит, не получится одному нуклеотиду поставить в соответствие одну аминокислоту. Тут нужен именно некий ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, то есть — какие-то совершенно конкретные правила, по которым из четырех «букв»-нуклеотидов каким-то образом составляются «слова», которые должны каким-то образом считываться и затем переводиться в последовательность аминокислотных остатков. Выглядит весьма сложно, но другого варианта быть не может.
Ход мыслей генетиков, которые пытались разобраться в этом вопросе, был достаточно прост и предсказуем - ну по крайней мере сейчас так кажется:) Давай пройдем по цепочке их рассуждений.
1. ДНК, в которой в виде генов зашифрована наша наследственная информация, состоит из длинного, очень длинного набора нуклеотидов, которых насчитывается четыре вида - аденин, гуанин, цитозин и тимин (A, G, C, T или, русскими буквами, А, Г, Ц, Т). Можно попробовать запомнить эти названия все сразу, в конце концов четыре наименования — не так уж и много. А если чувствуешь, что они путаются, ну начни запоминать с какого-то одного, например выбери ГУАНИН, который своим благозвучным названием обязан гуано (помету морских птиц), из которого его впервые выделили ученые. Раньше у нас была статья о том, как легко запомнить формулу аденина.
2. Белки построены из аминокислотных остатков, которых в земных организмах насчитывается чуть больше 20 видов (если точнее: 20+2+1). Как там обстоят дела у организмов, живущих на Энцеладе, узнаем позже у Элона Маска или Джеффа Безоса:).
3. Мы знаем, что есть двоичный компьютерный код, устроенный таким образом, что определенная совокупность нулей и единиц обозначает конкретное число нашей десятичной системы счисления. Так может быть и здесь та же схема? То есть какая-то конкретная последовательность нуклеотидов обозначает какую-то определенную аминокислоту?
И если это так, то должен существовать какой-то неизвестный клеточный механизм, который каким-то образом понимает, с какого места надо начинать считывать последовательность нуклеотидов для постройки нужного белка? Да, это должно быть так, ведь ДНК невероятно длинная, нельзя же ее всю целиком считывать, если нужно найти лишь определенное место, где начинается ген.
Потом еще должны быть клеточные механизмы, которые будут разворачивать в нужном месте спираль ДНК, а иначе как считывать информацию с гена?
Потом надо еще разделять двойную спираль ДНК в этом месте на две отдельные нити и считывать информацию.
А потом надо будет обратно сшить нити ДНК в одну двойную спираль.
И уже потом надо как-то переносить полученную информацию туда, где каким-то непонятным образом будет создаваться определенный белок.
Получается, что в клетке должна быть целая совокупность молекулярных механизмов, обслуживаемая целыми толпами высокоспециализированных белков-помощников?…
Итак, есть набор нуклеотидов. Есть набор аминокислот. Между ними непременно должна быть какая-то логическая связь. Да, тут столько всяких «непонятно как», но другого варианта просто не видно. Поэтому генетики последовали заветам Шерлока Холмса, который отбрасывал невозможные версии до тех пор, пока не останется одна, возможная, и поэтому верная. Они решили, что скорее всего, всё устроено именно так сложно, и нужно просто начать внимательно изучать ДНК и искать ответы на все эти вопросы. И их усилия увенчались успехом, всё в самом деле оказалось именно так. Впрочем, не совсем. Все оказалось устроено не просто сложно, а чрезвычайно сложно, в десятки раз сложнее, чем это можно было бы изначально вообразить. И до сих мы понимаем все эти процессы только в самых общих чертах.
Итак, зная, что ДНК состоит всего из четырех видов нуклеотидов, а белки строятся из двадцати аминокислот, легко догадаться, что не может быть такого, чтобы одному виду аминокислот соответствовал один нуклеотид. Значит не может одна «буква» ДНК кодировать одну аминокислоту. А две? Допустим, если подряд стоят аденин и цитозин (AЦ), то это обозначает одну аминокислоту. Может такое быть?
Нужно подсчитать — сколько комбинаций мы можем составить из 4-х нуклеотидных букв: AA, АГ, АЦ, АТ, ГГ, ГЦ, ГТ, ЦЦ, ЦТ, TT. Всё. Десять штук. Не 20. А вдруг клеточные механизмы способны различать АГ и ГА? Не поможет. Всё равно лишь 16 и никак не 20.
Ладно… А если комбинировать их по три штуки? Ну, тогда получается целых 64 комбинации. Неужели природа создала такую избыточность вариантов, зачем? Впрочем, другого варианта нет, значит так?
Оказалось именно так. Именно трёхбуквенным оказался один КОДОН - группа нуклеотидов, кодирующих какую-то определенную аминокислоту. А избыточность количества разных кодонов оказалась очень полезным изобретением природы (об этом мы напишем позже).
Итак: каждой аминокислоте соответствует как минимум одна комбинация последовательно расположенных трёх нуклеотидов.
Зафиксируем эту ясность и пойдем дальше.
Например, если в гене стоит участок ЦЦЦ (цитозин-цитозин-цитозин), то на соответствующее место в белке, который строится по этому гену, будет поставлена аминокислота пролин, и никакая другая.
После доказательства трехбуквенности кодона встал вопрос: каким образом целых 64 возможных комбинации из трех нуклеотидов могут кодировать всего 20 аминокислот? На этот раз всё оказалось просто — несколько кодонов могут обозначать одну и ту же аминокислоту.
Помнишь, выше мы писали, что клеточные механизмы должны как-то понимать, с какого места начать считывание гена, а в каком месте заканчивать. Оказалось, что один из кодонов является СТАРТ-КОДОНОМ, и еще три — СТОП-КОДОНАМИ. Такие кодоны стоят в начале и, соответственно, в конце каждого гена. Если, к примеру, вытащить старт-кодон из цепочки ДНК перед геном, то этот ген никогда считываться не будет.
В таблице, прикрепленной к этому посту, содержится почти весь наш генетический код. Простая штука, четыре на четыре ячейки, но получение этой информации дало гигантский импульс в развитии генетики и смежных наук.
(В этой таблице вместо тимина (Т) указан урацил (U), поскольку в РНК, которая является зеркальной копией гена, вместо тимина стоит урацил — так легче и нам и клеточным механизмам отличать ДНК от РНК — это очень важно, чтобы случайно не начать портить ДНК вместо того, чтобы обрабатывать РНК).
Теперь давай немного погуляем по этой таблице.
Некоторые аминокислоты кодируются двумя, другие — четырьмя или даже шестью кодонами, и лишь одна аминокислота — триптофан — кодируется всего лишь одним кодоном. Такое распределение кодонов не случайно, иначе естественный отбор давно бы его уничтожил. Вообще каждый раз, когда тебе кажется какое-то свойство живого существа непонятно-нелепым, стоит вспоминать, что эволюция не терпит несовершенств и излишеств: то, что не приносит каким-нибудь образом пользы организму или виду в целом, надолго не задерживается.
Часто кодоны, обозначающие одну и ту же аминокислоту, отличаются только последней буквой. Это отпечаток древнейшей истории: самые первые живые существа были гораздо более примитивными, чем самые простейшие из существующих на данный момент, и обходились гораздо меньшим количеством аминокислот в своих клетках. Так что им вполне хватало двухбуквенного кода, составленного из тех же четырех нуклеотидов. Но потом оказалось, что в окружающем этих существ бульоне есть еще кое-какие полезные штуки, которые неплохо бы применить в хозяйстве. Чтобы использовать все доступные и полезные аминокислоты, двухбуквенного кода уже не хватало, и нашим далеким предкам пришлось пожертвовать скрепами и расширить свой алфавит.
То, что некоторые кодоны отличаются лишь последней аминокислотой, дает нам особую устойчивость. Если при копировании ДНК будет совершена ошибка, и если наши инструменты коррекции ее пропустят, то например вместо ЦЦЦ будет ЦЦТ или ЦЦА — а нам-то всё равно! Потому что все эти кодоны соответствуют одной и той же аминокислоте — пролину, и белок будет построен в этом месте правильно.
Благодаря тому, что все живые существа Земли используют именно этот генетический код (есть некоторые исключения в мире микроорганизмов), и становится возможным обмен генами между разными видами. Можно поместить ДНК одного существа в клетку другого, и она будет успешно прочитана, и по ней начнется производство совершенно конкретных белков или РНК. Так поступают бактерии, обменивающиеся друг с другом генами в процессе горизонтального переноса. Так поступают вирусы, впрыскивая свою ДНК в клетку другого организма. Единство генетического языка приводит к тому, что жизнь на Земле пребывает в состоянии удивительной физиологической гармонии (эту фразу могут пропустить те, у кого сегодня болит живот).
Теперь ты имеешь самые базовые познания о генетическом коде, и другие наши статьи про работу генов, белков, РНК и т.д. будет понимать намного легче.