"Информатика", Семёнов А.Л., Рудченко Т.А.
Биоинформатика помогает хранить и сравнивать биологические данные с помощью компьютеров. Она изучает, как последовательность нуклеотидов в гене задаёт порядок аминокислот в белке. Инструкция сначала переписывается с ДНК на иРНК, а затем считывается рибосомой тройками — кодонами. У каждого кодона есть значение: он задаёт аминокислоту или сигнал начала либо остановки. Понимание этого кода позволяет сравнивать гены и разбираться, как изменения в них могут повлиять на белок.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биоинформатика — область, в которой компьютерные методы применяют для хранения, сравнения и анализа биологической информации. Компьютер помогает быстро находить сходства и различия в длинных последовательностях. Это нужно, например, чтобы исследовать гены и изменения в них.
Ген — участок ДНК, содержащий информацию о строении определённого белка или функциональной молекулы. Его можно представить как часть длинной записи, в которой порядок букв имеет значение. Изучение генов помогает понять, какие молекулы может создавать клетка.
Кодон — последовательность из трёх нуклеотидов иРНК, задающая одну аминокислоту или сигнал остановки. Нуклеотиды — части, из которых составлена запись ДНК и РНК, а иРНК переносит инструкцию к месту сборки белка. По кодонам клетка определяет, какую аминокислоту добавить следующей.
Генетический код — правило соответствия между кодонами и аминокислотами; он почти универсален, избыточен и читается по три нуклеотида. Почти универсальный означает, что у большинства живых организмов соответствия похожи. Избыточность означает, что несколько кодонов могут задавать одну аминокислоту.
Информация о белке записана в последовательности нуклеотидов гена: используются четыре основания ДНК, а порядок их расположения имеет смысл. Это похоже на слово, смысл которого зависит от порядка букв: перестановка может дать другую запись. Поэтому клетке недостаточно знать, какие нуклеотиды есть в гене, — ей важно прочитать их правильную последовательность.
Когда клетке нужна инструкция для сборки белка, последовательность гена сначала переписывается с ДНК на иРНК. Такая копия помогает передать информацию к рибосоме — клеточной структуре, которая собирает белок. Рибосома считывает иРНК и соединяет аминокислоты в цепочку, потому что сама запись из нуклеотидов ещё не является белком.
ИРНК читается тройками, потому что каждой аминокислоте нужно сопоставить отдельный знак из нуклеотидов. Из четырёх видов нуклеотидов можно составить 4 × 4 × 4 = 64 разные тройки. Этого хватает для 20 аминокислот и особых сигналов: одни кодоны указывают начало, другие — остановку синтеза. Поэтому кодон называют единицей генетического кода.
Считывание начинается со стартового кодона и заканчивается стоп-кодоном. Рибосома должна двигаться в одном направлении и каждый раз брать следующую тройку, не пропуская нуклеотиды. Если начать чтение не с той позиции, тройки будут другими, а значит, изменится и инструкция для сборки белка.
Разные кодоны могут обозначать одну аминокислоту, поэтому некоторые замены нуклеотидов не меняют белок. Но вставка или удаление одного нуклеотида часто сдвигает рамку считывания: после изменения нуклеотиды группируются в новые тройки. Тогда может измениться много аминокислот подряд, и белок не сможет выполнять свою прежнюю работу.
Сравнивайте столбцы слева направо: так видно, как меняется форма записи при передаче инструкции. Строки показывают алфавит, единицу записи, роль и особые сигналы на каждом этапе. Помните: кодоны есть в иРНК, а белок уже состоит из аминокислот.
| Свойство | ДНК | иРНК | Белок |
|---|---|---|---|
| Алфавит | А, Т, Г, Ц | А, У, Г, Ц | Аминокислоты |
| Единица записи | Нуклеотидная последовательность гена | Кодон из трёх нуклеотидов | Цепочка аминокислот |
| Основная роль | Хранение наследственной информации | Передача инструкции к рибосоме | Выполнение определённой функции в клетке |
| Особые сигналы | Участки начала и окончания гена | Стартовый и стоп-кодоны | Начало и завершение цепочки |
Задача 1. Дана последовательность иРНК АУГ–ГЦУ–ААА–УАА. Определите число кодонов, стартовый и стоп-кодоны и количество аминокислот в белке.
Считаем группы, разделённые тире: АУГ, ГЦУ, ААА и УАА. Получается четыре кодона. Каждая группа состоит из трёх нуклеотидов, значит, запись уже разделена правильно.
Сравниваем начало и конец с известными сигналами. АУГ — стартовый кодон, а УАА — стоп-кодон. Стоп-кодон останавливает считывание, но не обозначает аминокислоту.
Считаем кодоны, задающие аминокислоты: после стартового АУГ следуют ГЦУ и ААА. Значит, в белковой цепочке будет две аминокислоты, а всего в последовательности — четыре кодона.
Ответ: 4 кодона; стартовый — АУГ, стоп-кодон — УАА; белок содержит 2 аминокислоты.
Задача 2. Используя таблицу генетического кода, расшифруйте иРНК 5′-АУГ–ГЦЦ–УУУ–УГА-3′ и запишите последовательность аминокислот.
Начинаем читать слева направо, как показывает направление от 5′ к 3′. Сохраняем заданные тройки: АУГ, ГЦЦ, УУУ, УГА. Это важно, потому что другая рамка дала бы другие кодоны.
По таблице генетического кода определяем значения троек: АУГ задаёт метионин, ГЦЦ — аланин, УУУ — фенилаланин. Последний кодон УГА является стоп-сигналом, а не аминокислотой.
Записываем аминокислоты в том же порядке, в каком встретились соответствующие кодоны. Останавливаемся на УГА и не добавляем его в цепочку. Так получается последовательность из трёх аминокислот.
Ответ: метионин — аланин — фенилаланин.
Задача 3. Сравните исходную и изменённую иРНК: АУГ–ААА–ГГЦ–УАА и АУГ–ААГ–ГГЦ–УАА. Затем объясните, почему вставка одного нуклеотида после АУГ может изменить все последующие кодоны.
Сравниваем тройки по порядку. Отличается только второй кодон: ААА заменён на ААГ, остальные остались прежними. По таблице генетического кода обе тройки задают лизин, поэтому последовательность аминокислот не меняется.
Теперь представим вставку одного нуклеотида сразу после АУГ. Первый кодон остаётся прежним, но следующие тройки составляются уже из другого набора соседних нуклеотидов. Получается сдвиг рамки считывания.
При сдвиге могут измениться многие последующие кодоны, а значит, и аминокислоты белка. Новая последовательность может также случайно привести к стоп-кодону раньше времени. Поэтому замена и вставка — разные виды изменений с разными последствиями.
Ответ: замена ААА на ААГ не меняет аминокислоту, а вставка одного нуклеотида часто меняет все следующие кодоны и может изменить белок.
Стоп-кодон иногда считают аминокислотой, потому что он стоит в конце последовательности. Но его задача — остановить синтез, а не добавить часть белка. Проверьте себя: если встретили стоп-сигнал, прекращайте запись аминокислот перед ним.
Некоторые пытаются читать кодоны по два или четыре нуклеотида, особенно если последовательность записана без разделителей. Так бывает, когда теряется правило чтения. Разбейте запись на тройки от заданного начала и проверьте, что в каждой группе ровно три нуклеотида.
Тимин ДНК и урацил иРНК легко перепутать, потому что они выполняют похожую роль в двух записях. Но в иРНК вместо тимина используется урацил. Проверяйте, о какой молекуле идёт речь: для ДНК используйте А, Т, Г, Ц, для иРНК — А, У, Г, Ц.
Если игнорировать направление и рамку считывания, можно сгруппировать те же нуклеотиды в другие кодоны. Это меняет значения троек и результат расшифровки. Сверьтесь с указанным направлением, найдите стартовый кодон и затем отсчитывайте тройки подряд, не смещая начало.
Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение клетки, ДНК и РНК, понимать, что такое нуклеотид, и уметь записывать последовательности. С алгоритмами тема связана тем, что длинная запись разбивается на блоки, а каждому блоку ставится в соответствие элемент результата. Эти приёмы применяют при анализе мутаций и сравнении генов, а также в медицинской диагностике и биологических базах данных.
Почему кодон состоит именно из трёх нуклеотидов?
Если бы кодон состоял из одного нуклеотида, получилось бы только 4 комбинации, а из двух — 16. Этого не хватило бы для обозначения 20 аминокислот. Три нуклеотида дают 64 сочетания, поэтому их достаточно.
Почему четырёх нуклеотидов хватает для кодирования двадцати аминокислот?
Значение имеет не только вид нуклеотида, но и его место в тройке. Из четырёх вариантов можно составить 4 × 4 × 4 = 64 кодона. Этого хватает, чтобы обозначить аминокислоты и сигналы начала и остановки.
Почему разные кодоны могут обозначать одну аминокислоту?
Кодонов больше, чем аминокислот, поэтому некоторым аминокислотам соответствуют несколько разных троек. Это свойство генетического кода называется избыточностью. Благодаря ему отдельная замена нуклеотида иногда не меняет белок.
Чем кодон отличается от гена?
Кодон — это три нуклеотида иРНК, которые задают аминокислоту или сигнал остановки. Ген — более длинный участок ДНК с информацией о белке или функциональной молекуле. В ходе считывания гена его запись передаётся на иРНК, где она читается кодонами.
Что произойдёт с белком, если в гене заменить, вставить или удалить один нуклеотид?
Замена может не повлиять на белок, если новый кодон всё ещё задаёт ту же аминокислоту, или изменить одну аминокислоту. Вставка или удаление одного нуклеотида часто сдвигает рамку считывания, поэтому меняются многие следующие кодоны. В результате белок может стать другим или не собраться правильно.
Биоинформатика. Как кодируются белки
