§ 23. Генетический код и его свойства

1. Что такое ген? Что представляет собой генетический код?

Ген — участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре определенного белка, рРНК или тРНК.

Генетический код — это система записи информации о первичной структуре белков в виде последовательности нуклеотидов ДНК (мРНК). 

2. Охарактеризуйте свойства генетического кода.

Триплетность. Каждая аминокислота кодируется триплетом (кодоном) – сочетанием из трёх последовательно расположенных нуклеотидов.

Неперекрываемость. Один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.

Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

Избыточность (вырожденность). Одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими разными триплетами (от 2 до 6). Исключение составляют метионин и триптофан – каждая из этих аминокислот кодируется лишь одним триплетом.

Непрерывность. Между триплетами нет знаков препинания, то есть информация в пределах одного гена считывается непрерывно.

Универсальность. У всех живых организмов одним и тем же триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, что свидетельствует о единстве происхождения живых организмов.

3. Что представляют собой стоп-кодоны? Какую роль играет стартовый кодон АУГ?

Стоп-кодоны – это триплеты, которые не кодируют аминокислоты, а служат сигналами окончания синтеза белка. В иРНК терминирующими кодонами являются УАА, УАГ и УГА, в ДНК им соответствуют АТТ, АТЦ и АЦТ.

Правильное считывание генетического кода обеспечивается только в том случае, если оно начинается со строго определённого пункта. В молекуле иРНК считывание начинается с кодона АУГ, поэтому данный триплет называется стартовым (инициирующим).

4. Почему аминокислота кодируется не одним и не двумя, а тремя последовательно расположенными нуклеотидами?

В состав ДНК и РНК входит по четыре типа нуклеотидов. При этом кодировать необходимо 20 белокобразующих аминокислот. Если бы за одну аминокислоту «отвечал» один нуклеотид, то можно было бы закодировать лишь 4 аминокислоты. Нуклеотидных дуплетов (по два) хватило бы только на 4² = 16 аминокислот. Нетрудно подсчитать, что число возможных комбинаций из четырёх типов нуклеотидов по три составляет 4³ = 64. Этого более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белков.

5. Молекула мРНК начинается со следующей последовательности нуклеотидов: АУГГУАЦЦУУГГЦАЦ… С какой последовательности аминокислотных остатков начинается белок, закодированный этой мРНК? Для решения используйте таблицу генетического кода (см. табл. 14).

Разобьём мРНК на триплеты и с помощью таблицы генетического кода определим последовательность аминокислотных остатков закодированного белка.

мРНК:  АУГ ГУА ЦЦУ УГГ ЦАЦ...

Белок: Мет–Вал–Про–Трп–Гис...

Ответ: белок начинается со следующей последовательности аминокислотных остатков: Мет–Вал–Про–Трп–Гис...

6. Как вы думаете, какое биологическое значение имеет свойство вырожденности генетического кода?

Благодаря свойству вырожденности повышается надёжность воспроизведения генетической информации, т.к. при нарушениях нуклеотидной последовательности ДНК или иРНК (а именно – при определённых заменах нуклеотидов) изменившиеся триплеты могут кодировать те же самые аминокислоты. Например, в иРНК триплет ЦУА кодирует аминокислоту лейцин (Лей), и замена третьего нуклеотида (А) на любой другой, либо замена первого нуклеотида на урацил (У) не приводят к изменению смысла триплета.

7. Действие некоторых факторов (рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, определенных химических веществ и др.) или ошибки, иногда возникающие при репликации, могут приводить к изменению последовательности нуклеотидов ДНК. При этом может происходить вставка или выпадение нуклеотидов либо замена одних нуклеотидов на другие. Как вы считаете, какие изменения чаще приводят к нарушению нормального функционирования клеток (и даже к их гибели) — вставки и выпадения или же замены нуклеотидов ДНК? Обоснуйте ответ.

К нарушению нормального функционирования клеток чаще приводят вставки или выпадения нуклеотидов, поскольку такие изменения приводят к сдвигу рамки считывания, из-за чего меняется исходный смысл гена и синтезируется совершенно другой белок (либо внутри гена возникает стоп-кодон и процесс биосинтеза белка обрывается).

Замена одного нуклеотида на другой ведёт к изменению лишь одного кодона без сдвига рамки считывания. Поэтому в синтезируемом белке одна аминокислота может быть заменена на другую, причём не обязательно, поскольку генетический код обладает свойством вырожденности.

Суть происходящего можно объяснить учащимся, проведя аналогию со следующим примером. В предложении ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ заключён определённый смысл. Если произвести замену одной буквы на другую (наподобие замены одного нуклеотида на другой), смысл меняется незначительно, например ЖИВ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР… Вставка или выпадение буквы (по аналогии – нуклеотида) приводит к потере смысла (изменению всей первичной структуры белка), например, ЖИБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ…