§ 15. Ген и генетический код

Определения и обозначения

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о функциональном продукте: молекуле РНК или полипептиде. Полипептид — цепь аминокислот, из которой может состоять белок. Ген называют единицей наследственной информации, потому что его последовательность нуклеотидов передаётся при делении клеток и может влиять на признаки организма.

Генетический код — система соответствия между последовательностями нуклеотидов и аминокислотами белка. Благодаря этому соответствию клетка может использовать запись в РНК, чтобы собирать полипептид в определённом порядке. Код нужен для перевода информации о последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов матричной РНК, которая задаёт аминокислоту или сигнал завершения синтеза белка. Кодоны читаются по порядку во время трансляции — сборки полипептида на матричной РНК. Поэтому изменение кодона может отразиться на составе белка.

Стоп-кодон — кодон, который не задаёт аминокислоту, а обозначает окончание трансляции. Когда клеточная система считывания встречает такой сигнал, присоединение аминокислот прекращается. Стоп-кодоны нужны, чтобы синтез завершался на границе белка, а не продолжался дальше.

Как это устроено

Чтобы информация гена повлияла на строение белка, она проходит два этапа. Сначала последовательность ДНК переписывается в молекулу РНК — этот процесс называется транскрипцией. Затем матричная РНК служит шаблоном для сборки полипептида при трансляции. Так наследственная запись становится последовательностью аминокислот.

При считывании нуклеотиды объединяются в группы по три, потому что отдельных букв для каждой аминокислоты нет. Существуют четыре вида нуклеотидов, и сочетаний по одному получится только четыре, а по два — шестнадцать. Этого недостаточно, чтобы обозначить все 20 аминокислот. Триплеты дают 64 возможных сочетания, поэтому такой способ записи может кодировать аминокислоты и сигналы остановки.

Во время трансляции кодоны матричной РНК распознаются молекулами, которые доставляют соответствующие аминокислоты к растущей цепи. Каждому считанному кодону соответствует определённая аминокислота, и она присоединяется к предыдущим. Поэтому порядок кодонов задаёт порядок аминокислот в полипептиде. Если последовательность кодонов меняется, может измениться и строение белка.

Из 64 возможных кодонов 61 кодирует аминокислоты, а три служат сигналами завершения синтеза. Такое распределение возможно потому, что одну аминокислоту часто обозначают несколько кодонов. Стоп-кодоны не добавляют аминокислоту, а сообщают клетке, что цепь собрана. Если бы таких сигналов не было, клетка не могла бы точно определить место остановки.

Свойства кода объясняют, как клетка читает запись. Код триплетный, потому что состоит из троек нуклеотидов; однозначный, потому что каждый кодон соответствует только одной аминокислоте или стоп-сигналу; вырожденный, потому что одну аминокислоту могут задавать разные кодоны. Код почти универсален: у большинства организмов соответствия одинаковы, хотя существуют исключения. Наконец, запись читается непрерывно и без перекрывания: триплеты идут подряд, и каждый нуклеотид входит только в один кодон.

Основные свойства генетического кода

Таблица помогает различать свойства, которые легко перепутать. Чтобы проверить однозначность, спросите, сколько значений имеет один кодон; чтобы проверить вырожденность — сколько кодонов может соответствовать одной аминокислоте. При разборе последовательности также учитывайте порядок считывания и наличие стоп-сигнала.

Разбор задач

Задача 1. В фрагменте матричной РНК записана последовательность АУГ-ГЦУ-УАА. Определите число кодонов и укажите, какой из них завершает трансляцию.

1. Последовательность уже разделена на триплеты: АУГ, ГЦУ и УАА.
2. Каждый триплет матричной РНК является одним кодоном. Значит, всего в записи три кодона.
3. Сравним последний триплет с известными стоп-кодонами: УАА — сигнал завершения трансляции, а не обозначение аминокислоты.

Ответ: три кодона; трансляцию завершает УАА. Важно оценивать именно кодоны матричной РНК, а не заменять их триплетами ДНК.

Задача 2. Участок матричной РНК содержит 15 нуклеотидов и не включает стоп-кодон. Сколько аминокислот может быть закодировано этим участком?

1. Один кодон содержит три нуклеотида, поэтому делим длину участка на три: 15 : 3 = 5.
2. Получаем пять кодонов. Так как стоп-кодона в участке нет, каждый из них задаёт аминокислоту.
3. Следовательно, участок может кодировать цепочку из пяти аминокислот.

Ответ: пять аминокислот. Если бы среди кодонов был стоп-сигнал, он обозначал бы остановку и не добавлял бы аминокислоту.

Задача 3. В кодирующем участке ДНК произошла замена одного нуклеотида. Объясните, почему изменение может не повлиять на аминокислотную последовательность белка, а может изменить её.

1. Сначала участок ДНК переписывается в РНК, поэтому замена может изменить соответствующий кодон матричной РНК.
2. Генетический код вырожден: одной аминокислоте могут соответствовать разные кодоны. Если новый кодон тоже задаёт прежнюю аминокислоту, состав белка не изменится.
3. Если изменённый кодон задаёт другую аминокислоту, в полипептиде произойдёт замена. Если он станет стоп-кодоном, синтез может завершиться раньше.

Ответ: результат зависит от значения нового кодона. Замена может быть нейтральной для аминокислотной последовательности или изменить её; это определяют по кодону, а не только по факту мутации.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кодоны образуются из триплетов ДНК прямо во время трансляции. Так думают, потому что генетическая информация изначально хранится в ДНК. Однако кодон — триплет матричной РНК, а ДНК служит источником информации для её синтеза. Проверьте себя: если речь о кодоне при трансляции, выпишите последовательность РНК.

Однозначность и вырожденность часто смешивают, потому что оба свойства описывают соответствие кодонов аминокислотам. Однозначность относится к одному кодону: у него только одно значение; вырожденность — к одной аминокислоте, которой могут соответствовать разные кодоны. Чтобы проверить ответ, отдельно задайте вопросы «сколько значений у кодона?» и «сколько кодонов у аминокислоты?».

Стоп-кодоны ошибочно принимают за кодоны аминокислот, поскольку они стоят в той же последовательности триплетов. Но они не задают аминокислоту, а обозначают завершение трансляции. При решении задачи проверьте, не назван ли такой триплет аминокислотой и не включён ли он в подсчёт состава полипептида.

Неверно считать, что один ген обязательно кодирует один белок. Такое упрощение возникает, когда ген связывают только с белком, но продуктом гена может быть и функциональная РНК. Кроме того, у эукариот из одного гена в некоторых случаях образуются разные варианты продукта. Проверяйте формулировку: ген содержит информацию о функциональном продукте, а не обязательно об одном готовом белке.

Связь с другими темами

Для понимания генетического кода нужно знать строение ДНК и РНК, различия между их нуклеотидами и принцип комплементарности. Эти знания помогают понять, как с ДНК синтезируется РНК и почему последовательность записи меняется при переписывании. Код связывает молекулярное строение нуклеиновых кислот с составом белка. Позже эти представления пригодятся при изучении транскрипции, трансляции, мутаций и наследственной изменчивости.

Что запомнить

• Ген — участок ДНК с информацией о функциональном продукте.
• Информация гена может реализоваться через синтез РНК и белка.
• Кодон матричной РНК состоит из трёх нуклеотидов.
• Генетический код связывает кодоны с аминокислотами или сигналами завершения трансляции.
• У генетического кода 64 кодона: 61 кодирует аминокислоты, три являются стоп-кодонами.
• Код однозначен, но вырожден: кодон задаёт одну аминокислоту, а аминокислота может иметь несколько кодонов.
• Генетический код почти универсален для организмов.