§ 15. Генетическая информация

Определения и обозначения

Генетическая информация — сведения о строении белков и функциональных РНК, записанные последовательностью нуклеотидов ДНК. Она нужна клетке как инструкция для создания молекул и поддержания её работы. Смысл хранится не в отдельных буквах, а в их порядке.

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о продукте, который синтезируется по этой записи. Продуктом может быть белок или функциональная РНК. Ген связан с наследственным признаком через свой продукт: например, белок участвует в реакции или формирует структуру клетки, а уже это влияет на признак.

Генетический код — способ записи информации о последовательности аминокислот с помощью последовательностей нуклеотидов. Он устанавливает, как кодоны иРНК переводятся в аминокислоты при сборке белка. Без такого соответствия клетка не могла бы преобразовать запись ДНК в работающую молекулу.

Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, соответствующая аминокислоте или сигналу начала либо окончания синтеза белка. Рибосома читает кодоны последовательно, не смешивая их границы. Поэтому изменение одной буквы может повлиять на смысл конкретного кодона.

Как это устроено

Информация хранится в порядке нуклеотидов ДНК, потому что именно порядок оснований задаёт порядок кодонов и аминокислот в будущем белке. Набор нуклеотидов сам по себе одинаков для всех генов: используются аденин, тимин, гуанин и цитозин. Если переставить их местами, изменится инструкция, даже если общее количество каждого вида останется прежним.

Перед делением клетки ДНК копируется благодаря комплементарности оснований: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Каждая исходная цепь служит образцом для построения новой цепи. Поэтому образуются две практически одинаковые молекулы ДНК, и дочерние клетки получают копии генетической информации.

При реализации гена сначала участок ДНК переписывается в иРНК, или информационную РНК. Это нужно потому, что ДНК обычно хранится в ядре, а сборка белка происходит на рибосомах; иРНК переносит инструкцию к месту синтеза. Затем рибосома движется по иРНК и распознаёт её кодоны.

Триплетность означает, что один смысловой элемент кода состоит из трёх нуклеотидов. Четыре вида нуклеотидов дают 4³ = 64 комбинации, а этого достаточно для обозначения 20 аминокислот и специальных сигналов. Избыток комбинаций объясняет, почему одну аминокислоту могут обозначать несколько разных кодонов.

У генетического кода есть стартовый сигнал, обычно кодон AUG, и стоп-сигналы, которые не обозначают аминокислоту. Старт задаёт точку начала считывания, а стоп сообщает рибосоме, что цепь белка закончена. Почти универсальность кода означает, что у большинства организмов одинаковые кодоны обозначают одинаковые аминокислоты, что позволяет сопоставлять генетические последовательности разных видов.

Свойства генетического кода

В таблице ниже показано, что означает каждое свойство и как оно проявляется во время считывания иРНК. При решении задач сначала разделяйте последовательность на тройки, затем ищите каждую тройку в таблице кода. Учитывайте, что стоп-кодон завершает запись и не добавляет аминокислоту в белок.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в цепи ДНК задан фрагмент АТГ—ГЦЦ—ТТА. Запишите комплементарную цепь. Нужно подобрать к каждому нуклеотиду его пару, сохранив порядок позиций.

1. Для А записываем Т, для Т — А, для Г — Ц, для Ц — Г.
2. По парам получаем: АТГ → ТАЦ, ГЦЦ → ЦГГ, ТТА → ААТ.
3. Соединяем полученные тройки и проверяем каждую позицию по правилу комплементарности.

Ответ: комплементарная цепь — ТАЦ—ЦГГ—ААТ. Направление цепей в такой короткой записи обычно не указывают, но в молекуле ДНК они направлены противоположно.

Задача 2

Условие: для участка кодирующей цепи ДНК АТГ—ГЦЦ—ТТА запишите последовательность иРНК и определите аминокислотную последовательность. Поскольку дана именно кодирующая цепь, её последовательность почти совпадает с иРНК.

1. Заменяем в ДНК тимин на урацил: АТГ—ГЦЦ—ТТА превращается в АУГ—ГЦЦ—УУА.
2. Читаем кодоны по таблице генетического кода: АУГ — метионин, ГЦЦ — аланин, УУА — лейцин.
3. Записываем аминокислоты в том же порядке, потому что последовательность кодонов определяет порядок включения аминокислот в белок.

Ответ: иРНК — АУГ—ГЦЦ—УУА; аминокислотная последовательность — метионин—аланин—лейцин. Первый кодон здесь одновременно является стартовым сигналом.

Задача 3

Условие: в кодирующей цепи ДНК замена одного нуклеотида изменила кодон. Нужно определить, обязательно ли изменится аминокислота. Ответ нельзя дать только по факту замены: требуется сравнить исходный и новый кодоны.

1. Переводим оба кодона в иРНК, заменяя Т на У, если это кодирующая цепь.
2. Находим значение каждого кодона в таблице. Например, ГАА и ГАГ соответствуют одной аминокислоте — глутаминовой кислоте.
3. Делаем вывод: возможна немая замена без изменения аминокислоты, но возможны также замена аминокислоты или появление стоп-сигнала.

Ответ: аминокислота изменится не обязательно. Из-за вырожденности кода новый кодон может иметь прежнее значение, однако иногда он меняет аминокислоту или прекращает синтез белка.

Типичные ошибки

Считать ген отдельным признаком. Ген не является признаком, а содержит информацию о продукте, который участвует в формировании признака. Ошибку допускают, когда смешивают причину и результат; проверить себя можно вопросом: назван ли здесь участок ДНК или наблюдаемое свойство организма?

Путать матричную и кодирующую цепи ДНК. ИРНК комплементарна матричной цепи, а с кодирующей совпадает по последовательности при замене Т на У. Перед записью иРНК подпишите, какая цепь дана в условии, и только после этого выбирайте правило.

Считать, что каждый нуклеотид кодирует аминокислоту. Смысловым элементом является кодон из трёх нуклеотидов иРНК, а не одна буква. Проверка проста: разделите последовательность на тройки и сравните их с таблицей генетического кода.

Полагать, что любая замена нуклеотида меняет белок. Из-за вырожденности кода разные кодоны могут обозначать одну аминокислоту. Для проверки сопоставьте старый и новый кодоны, а не делайте вывод только по самому факту мутации.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении ДНК и РНК, нуклеотидах, комплементарности оснований и различиях между двумя типами нуклеиновых кислот. Эти понятия помогают правильно строить комплементарную цепь и иРНК.

Дальше генетическая информация понадобится при изучении биосинтеза белка, мутаций и передачи наследственных признаков. Свойства кода объясняют, как изменение ДНК может повлиять на белок и признак.

С клеточной биологией тема связана через ядро, рибосомы и молекулы РНК. В ядре хранится ДНК, иРНК переносит инструкцию, а рибосома использует её для сборки белка.

Что запомнить

• Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов.
• Гены — участки ДНК, содержащие информацию о продукте.
• Кодон иРНК состоит из трёх нуклеотидов.
• Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислот в белке.
• Генетический код вырожден: одной аминокислоте могут соответствовать разные кодоны.
• Стартовые и стоп-кодоны задают начало и окончание считывания.
• Код почти универсален для организмов.