Биоинформатика. Как кодируются белки

Определения и обозначения

Биоинформатика — область, в которой методы информатики применяют для хранения и изучения биологических данных. Компьютер помогает записывать длинные последовательности букв и быстро сравнивать их. Это нужно, чтобы находить закономерности в ДНК и других биологических объектах.

Белок — молекула, построенная из аминокислот. Аминокислоты соединяются в цепочку, и их порядок влияет на свойства белка. Поэтому по записи в ДНК можно узнать, какие «кирпичики» и в какой последовательности войдут в белок.

Генетический код — правило, по которому последовательность нуклеотидов задаёт последовательность аминокислот в белке. Нуклеотиды — это небольшие части ДНК, обозначаемые буквами A, T, G и C. Генетический код нужен как таблица перевода с языка ДНК на язык аминокислот.

Кодон — группа из трёх нуклеотидов, которая кодирует аминокислоту или сигнал начала либо окончания синтеза белка. Например, три буквы АТГ образуют один кодон. Кодоны позволяют читать длинную запись небольшими одинаковыми группами.

Как это устроено

В ДНК наследственная информация записана последовательностью нуклеотидов, обозначаемых буквами A, T, G и C. Эти буквы можно представить как символы особого биологического текста. Порядок символов важен, потому что перестановка букв может изменить дальнейшую запись белка.

При считывании информации последовательность делят на группы по три нуклеотида. Три позиции нужны потому, что четырёх букв по одной или по две недостаточно для большого числа вариантов, а три дают 64 комбинации. Разбиение начинают с нужной позиции: если сдвинуть начало хотя бы на одну букву, состав всех последующих троек изменится.

Каждый кодон по таблице генетического кода сопоставляется с аминокислотой. Среди кодонов есть стартовый, который показывает начало записи, и кодоны окончания, которые не добавляют аминокислоту, а задают границу. Благодаря этим сигналам можно понять, какую часть длинной последовательности нужно читать.

Возможных троек больше, чем аминокислот, поэтому одной аминокислоте могут соответствовать несколько разных кодонов. Это не ошибка таблицы, а особенность генетического кода. Поэтому при сравнении двух последовательностей разные буквы ещё не обязательно означают разные аминокислоты.

Чтобы получить запись белка, кодоны читают по порядку и заменяют соответствующими аминокислотами. Изменение одной буквы может поменять один кодон и результат его перевода. Если же сместить начало чтения, изменятся почти все группы, поэтому и последовательность аминокислот может стать совсем другой.

Как кодоны соответствуют аминокислотам и сигналам

Сначала найдите стартовый кодон и выберите правильное направление чтения. Затем разделите последовательность на тройки и по очереди найдите каждую тройку в таблице. Если встретился кодон окончания, дальнейшие буквы в этой записи уже не переводят в аминокислоты.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в последовательности ДНК выделены три нуклеотида: АТГ. Найдите по таблице генетического кода значение этой группы. Нужно определить, является ли тройка кодоном и что она обозначает.

1. Считаем буквы: А, Т и Г — всего три нуклеотида.
2. Значит, АТГ — кодон, а не отдельная буква и не случайная пара.
3. В условной записи ДНК кодону АТГ соответствует стартовый сигнал; при переводе он также связан с аминокислотой метионином.

Ответ: АТГ — кодон начала, соответствующий старту синтеза белка и метионину.

Задача 2

Условие: разделите последовательность АТГГЦТТТА на кодоны и запишите соответствующую последовательность аминокислот по таблице. Начинаем с первой буквы, потому что первые три символа образуют стартовый кодон.

1. Отсчитываем первые три буквы: АТГ. Остаётся ГЦТТТА.
2. Следующие тройки: ГЦТ и ТТА. Получаем запись АТГ | ГЦТ | ТТА.
3. По таблице переводим кодоны: АТГ — старт и метионин, ГЦТ — аланин, ТТА — лейцин.

Ответ: кодоны — АТГ, ГЦТ, ТТА; последовательность аминокислот — метионин, аланин, лейцин. Стартовый кодон дополнительно указывает начало чтения.

Задача 3

Условие: в последовательности АТГГЦТТТА заменили один нуклеотид. Точная новая буква не указана, поэтому нельзя назвать единственный изменившийся кодон, но можно показать способ сравнения.

1. Записываем исходные группы: АТГ | ГЦТ | ТТА.
2. Находим позицию изменённой буквы и смотрим, в какую из троек она входит. Например, замена Г на А во второй группе даст АТГ | АЦТ | ТТА.
3. Сравниваем значения старого и нового кодонов по таблице. В примере измениться может аминокислота, которую обозначают ГЦТ и АЦТ; остальные группы при таком положении буквы не меняются.

Ответ: замена обычно влияет на кодон, содержащий изменённый нуклеотид, и может изменить одну аминокислоту. Точный результат определяют только после сравнения старой и новой букв и обращения к таблице.

Типичные ошибки

Разбиение не с начала записи. Ученик может начать считать тройки со второй буквы, потому что так случайно получается удобная группа. Тогда меняются все последующие кодоны. Проверьте себя: поставьте вертикальные черты через каждые три символа, начиная с заданной стартовой позиции.

Один нуклеотид принимают за аминокислоту. Такая ошибка возникает из-за того, что буквы видны по отдельности. Аминокислоту задаёт не одна буква, а кодон из трёх нуклеотидов. Проверьте, состоит ли каждая переводимая группа ровно из трёх символов.

Каждому кодону приписывают уникальную аминокислоту. Кажется логичным, что разные записи должны давать разные результаты. Но несколько кодонов могут означать одну и ту же аминокислоту. Сверяйте спорные тройки с таблицей, а не делайте вывод только по их внешнему виду.

Путают начало и окончание с обычными кодонами. Стартовый кодон задаёт границу начала, а стоп-кодон завершает чтение; их роль не одинакова. Ошибка появляется, если рассматривать все тройки только как названия аминокислот. Проверьте, нет ли в условии специального сигнала и где по нему заканчивается запись белка.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно уметь работать с последовательностью символов и делить её на группы фиксированной длины. Это тот же приём, который используют при обработке строк в информатике.

Тема связана с биологией: ДНК хранит наследственную информацию, а аминокислоты образуют белки. Позднее эти знания пригодятся при изучении наследственности и способов обработки биологических данных компьютером.

Поиск соответствий в таблице похож на работу алгоритма: программа получает кодон, находит его значение и записывает результат. Такой навык применяют при кодировании и обработке текстовых данных.

Что запомнить

• Наследственная информация записана в последовательности нуклеотидов.
• В ДНК используются обозначения A, T, G и C.
• Кодон состоит из трёх нуклеотидов.
• Кодон задаёт аминокислоту либо служит сигналом начала или окончания.
• Порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.
• Несколько разных кодонов могут соответствовать одной аминокислоте.