ний – цитозин, тимин, аденин или гуанин. Основания на двух нитках спирали соединены попарно водородными связями, тимин на одной нитке всегда спарен с аденином, на другой – цитозин – с гуанином. Последовательности оснований вдоль этих ниток представляют генетическую информацию живой клетки. ДНК находится в ядре клетки, как часть хромосомной структуры.
Биосинтез белка в клетках тканей и органов является сложным многоступенчатым процессом. Совершается он в специальных органеллах – рибосомах. Помимо ДНК, в нем принимают участие рибонуклеиновые кислоты (РНК). Существуют три основные вида РНК: матричная (информационная) мРНК, рибосомная рРНК и транспортная тРНК. У них разные функции.
11.2. Гены и их структура
Информация о структуре белков и РНК записана в участках ДНК, называемых генами и цистронами. Ген – это участок ДНК, кодирующий один белок. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.Если белок состоит из нескольких разных полипептидных цепей (субъединиц), то его ген включает несколько цистронов. Например,у животных и человека цистроны нередко располагаются в разных хромосомах и обычно тоже называются генами, например, ген α-цепи и ген β- цепи гемоглобина.
Кроме генов всех белков организма, в хромосомах имеются также гены РНК: матричных РНК (их тысячи), четырех видов рибосомных РНК и нескольких десятков видов транспортных РНК.
Четыре вида рРНК синтезируются в ядре (а точнее, в ядрышках), объединяются с рибосомными белками, формируя субъединицы рибосом. Эти субъединицы через ядерные поры перемещаются в цитоплазму. Туда же перемещаются и многочисленные мРНК (в комплексе со специальными белками), а также тРНК.
Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется геномом. Всего в геноме (хромосомах) человека и животных число генов составляет около 30000.
Передача генетической информации с ДНК на мРНК называется транскрипцией (считывание). В генах участки связывания РНКполимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК) называются промоторами . Связывание РНК-полимеразы с промотором осуществляется с участием белков – факторов транскрипции. Эти факторы имеются во всех клетках и необходимы для «прочтения» любого функционирующего гена.
В процессе транскрипции гена образуемые мРНК называют предшественниками мРНК (пре-мРНК), т.к. им необходимо еще пройти в ядре процесс созревания.
Способ записи генетической информации
Две цепи ДНК в области гена принципиально различаются по своей функциональной роли: одна из них является кодирующей, или смысловой, вторая - матричной (рис. 11.2).
Это значит, что в процессе «считывания» гена (транскрипции, или синтеза пре-мРНК) в качестве матрицы выступает только одна – матричная цепь ДНК. Продукт этого процесса - пре-мРНК – по последовательности нуклеотидов совпадает с кодирующей цепью ДНК (с заменой тиминовых оснований на урациловые).
Таким образом, получается, что с помощью матричной цепи ДНК при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информация кодирующей (смысловой) цепи ДНК, т.е. ген.
На рисунках ген принято изображать так, чтобы кодирующая цепь была сверху; тогда, в соответствии с общим правилом изображения ДНК, 5'-конец кодирующей цепи должен располагаться слева.
Генетический код. Единицей информации в кодирующей цепи ДНК является триплет-последовательность из трех нуклеотидов. 4 вида нуклеотидов (встречающиеся в ДНК) могут образовывать 43 =64 вида триплетов. Из них 61 триплет являются смысловыми, т. е. кодирует ту или иную из 20 аминокислот, а 3 триплета являются «бессмысленными» (табл. 11.1).
Как видим, на одну аминокислоту приходится в среднем несколько смысловых триплетов (в реальности – от 1 до 6). В то же время код специфичен: каждому из смысловых триплетов соответствует только одна аминокислота.Сама же информация о белке состоит в том, что в полном гене линейная последовательность триплетов кодирует аналогичную линейную последовательность аминокислот в первичной структуре данного белка (в направлении от аминного к карбоксильному концу пептидной цепи) (рис. 11.2).
Итак, генетический код является триплетным, специфическим, непрерывным и универсальным (у всех видов организмов смысл любого триплета один и тот же).
Триплеты мРНК, соответствующие триплетам ДНК, называются кодонами , они определяют порядок включения аминокислот в пептидную цепь, синтезируемую в рибосоме .
По той же причине в таблице генетического кода (расшифрованного в ходе модельных экспериментов) всегда указывают не триплеты смысловой цепи ДНК, а кодоны мРНК.
Таблица 11.1 - Кодоны мРНК.
| Аминокислота | Кодирующие триплеты |
|---|---|
| Аланин | ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ |
| Аргинин | ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ |
| Аспарагин | ААУ ААЦ |
| Аспарагиновая кислота | ГАУ ГАЦ |
| Валин | ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ |
| Гистидин | ЦАУ ЦАЦ |
| Глицин | ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ |
| Глютамин | ЦАА ЦАГ |
| Глютаминовая кислота | ГАА ГАГ |
| Изолейцин | АУУ АУЦ АУА |
| Лейцин | ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ |
| Лизин | ААА ААГ |
| Метионин | АУГ |
| Пролин | ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ |
| Серин | УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ АГУ АГЦ |
| Тирозин | УАУ УАЦ |
| Треонин | АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ |
| Триптофан | УГГ |
| Фенилаланин | УУУ УУЦ |
| Цистеин | УГУ УГЦ |
| Знаки препинания | УАА УАГ УГА |
Из этой таблицы видно, что код, действительно, является вырожденным: для всех аминокислот, кроме метионина и триптофана, имеется по 2 кодона и более, в том числе, по 6 кодонов для трех аминокислот – аргинина, лейцина и серина.
11.3. Экспрессия генов
Экспрессия генов – это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт – РНК или белок. Экспрессия информации о структуре определенного белка включает 2 основных этапа (рис. 11.3):
