Способи запису біологічної інформації

Перехід від переджиття до життя на Землі пов’язують з оформленням потоку інформації. Будь-яка інформація, включаючи біологічну, для її збереження або маніпуляцій з нею вимагає системи запису або кодування. У світі житті це вирішується завдяки інформаційним макромолекулам (ДНК, РНК, білки), що представляє собою біомолекулярні тексти (взаимосоответствия за змістом ДНКовие, РНКовие і білкові), складені з використанням біологічного (генетичного) коду. Використання в біоінформатики названих вище полімерів дає право називати земне життя білково-нуклеїнової.

Питання про хімічну природу носія біологічної інформації в клітині довгий час був предметом дискусій. Вирішальним аргументом на користь нуклеїнових кислот (ДНК) послужили результати дослідів Ф. Гріффіта (1928), відтворених на новому методичному рівні О. Ейвері (1944). Ці результати говорили про те, що придбання пневмококами непатогенного штаму патогенних властивостей обумовлено проникненням у ці пневмококи ДНК пневмококів патогенного штаму. Інші докази біоінформаційні-генетичної функції ДНК:

• сталість вмісту ДНК в соматичних клітинах організму;

• відповідність змісту ДНК плоїдності клітин (в соматичних клітинах її вдвічі більше, ніж у статевих);

• явище генетичної рекомбінації у прокаріотів при їх кон’югації, в ході якої здійснюється проникнення фрагментів ДНК з однієї бактеріальної клітини в іншу з відповідною зміною фенотипічних властивостей;

• феномен трансдукції – зміна спадкових властивостей бактеріальних клітин шляхом переносу ДНК від одного штаму до іншого за допомогою бактеріофага;

• інфікуюча здатність вірусів визначається їх нуклеїнової кислотою.

Метаболічна стабільність (збереження інформації), великі розміри молекул (інформаційна ємність), надмолекулярна організація ДНК у вигляді биспирали, утвореної комплементарними макромолекулами (матричний механізм копіювання або «зняття» інформації) відповідають вимогам до матеріалу, що виконує функції зберігання і тиражування генетичної інформації. По-іншому йдуть справи з використанням інформації в процесах розвитку та життєдіяльності. З природних полинуклеотидов РНК (але не ДНК) може проявляти ферментативну активність (рибозими), але в дуже обмеженому обсязі. Білки ж характеризуються такою активністю в повній мірі. Оформився в еволюції механізм «опо-

средованного автокаталізу пептидів »(див. п. 1.4.4) або, іншими словами, процес біосинтезу білка в клітині, об’єднав в собі потенціал обох типів біополімерів і призначив структуру інформаційної системи (потоку інформації) живих форм. Головні учасники цієї системи – ДНК, РНК і білки.

У світі житті присутній два види текстів: пов’язані з нуклеїновими кислотами, записані за допомогою нуклеотидів, і пов’язані з білками, записані за допомогою амінокислот.

Розрахунки говорять про те, що для кодування однієї амінокислоти в білку досить трійки нуклеотидів в ДНК та / або РНК. Число можливих поєднань з 4 нуклеотидів по 4, розташованих по-різному в молекулі ДНК, вимірюється астрономічними цифрами. Так, у фрагменті ДНК всього з 100 п.н. теоретично може бути закодовані амінокислотні послідовності 4100 білків середнього розміру. Число сполучень з 4 по 2 (16) при кількості амінокислот в «стандартному» наборі для синтезу білків 20 недостатньо, тоді як число поєднань з 4 по 3 (64) задовольняє критерію достатності.

У пробірці синтезували короткі фрагменти РНК, що містять один з чотирьох нуклеотидів. Ці фрагменти потім використовували в штучних системах синтезу білка. Застосовуючи фрагмент полі-У (по-ліуріділовий полімер), отримували пептид, що складається виключно з амінокислоти фенілаланіну. Був зроблений висновок, що три Урідія-вих нуклеотиду в РНК (три аденілових нуклеотиду в ДНК) кодують в білках фенілаланін. Завдяки описаному прийому, в 60-х рр. ХХ століття генетичний код був розшифрований повністю (табл. 2.2). Трійки нуклеотидів, відповідні окремим амінокислотам, отримали назву кодонів або кодонів.

Нуклеотидні послідовності генів однієї хромосоми зазвичай розміщені в одній і тій же молекулі биспирали ДНК, але є винятки. Так, з п’яти гістонових генів плодової мухи для двох генів інформація записана в одній полінуклеотидних ланцюга, а для трьох інших генів – в парній їй ланцюга биспирали ДНК. Таким чином, роль кодогенной (а також матричної) молекули може виконувати будь-яка з ланцюгів подвійної спіралі.

Одиницею інформації в молекулах ДНК служить трійка нуклеоті-дів або триплет, тобто генетичний код є тріплетним. При цьому 4 нуклеотиду, що будують ДНК, утворюють 64 триплета, з яких 61 кодує 20 амінокислот (смислові триплети), а 3 не мають кодованих амінокислот і служать для позначення пункту термінації (завершення) транскрипції (безглузді або нонсенс-кодони, стоп-кодони) . Генетичний код є неперекривающіхся (окремої амінокислоті відповідає самостійний триплет), безперервним (триплети для послідовності амінокислот у конкретному білку слідують один за одним без «прогалин», але див. Інтрони, п. 2.4.5.5), універсальним (одні й ті ж триплети використовуються для кодування одних і тих же амінокислот у представників всіх груп живих істот – від вірусів і прокаріотів до ссавців, у тому числі людини; відомі винятки – див. тут же, нижче), виродженим (для кодування однієї амінокислоти, крім метіоніну і триптофану, використовується від двох до шести триплетів), специфічним (конкретному триплети відповідає одна амінокислота).

Якщо для амінокислоти існує від двох до чотирьох триплетів (аланін, валін, гліцин, пролін, треонін), то відмінності між триплетами стосуються виключно останнього, третього нуклеотиду (нонсенс-кодони не підпадають під це правило). У такому випадку мутаційна зміна третього нуклеотиду в триплеті приблизно в 64% дає триплет-синонім, що служить підвищенню рівня збереження інформації в ДНК. Подібні за будовою та / або хімічними властивостями амінокислоти мають триплети з одним і тим же центральним (другим) нуклеотидом. Наприклад, триплети гідрофобних амінокислот (фенілаланін, лейцин, ізолейцин, метіонін, валін) мають в ДНК другий нуклеотид А, а в і (м) РНК – У. Ця особливість генетичного коду створює «біоінформаційний буфер», який зводить до мінімуму вплив багатьох генних мутацій на функціональні характеристики відповідних білків (гидрофобная амінокислота змінюється на гидрофобную).

Є приклади, що не відповідають принципу універсальності генетичного коду. Так, в клітинах поширеного збудника мікозів людини Candida albicans кодон ЦУГ відповідає амінокислоті серину, а не лейцину, як в клітинах майже всіх інших живих форм. В автономній белокобразующей системі мітохондрій клітин ссавців триплет і (м) РНК АУА відповідає амінокислоті метіоніну, тоді як в цитоплазмі цих же клітин – ізолейцин. Триплети ТЦГ і ​​ТЦЦ мітохондріальної ДНК деяких видів організмів не кодують амінокислот, будучи нонсенс-кодонами. У наведених прикладах функціонально-генетичні особливості пойменованих кодонів відтворюються на постійній основі, що дає підстави розглядати ці особливості як наслідок своєрідності еволюційного процесу.

У всіх кодових системах запису виділяють букви (алфавіт) і слова (словник) тексту. У кодової системі нуклеїнових кислот (ДНК, РНК) літери – це нуклеотиди (4-буквений алфавіт), а слова – трійки нуклеотидів або триплети, яким відповідають окремі амінокислоти (61-немов словник, включаючи синоніми).

Зміни в нуклеотидних послідовностях (генетичних текстах) ДНК призводять до спотворення інформації і носять назву генних або справжніх мутацій. Такі зміни полягають у заміні одного смислового триплета на інший або нонсенс-кодон, випаданні або вставках нуклеотидів, що призводить до зрушення рамки зчитування біоінформації. У людей відомо кілька сотень (з 5 тис. Генних хвороб, виявлених на 2004 р) спадкових хвороб, для яких виявлений мутований ген і описаний фенотипический еквівалент мутації. У цю групу входять ахондроплазия (характерна ознака – непропорційна карликовість), що викликається заміною гуанілова нуклеотиду на цітіділовий в гені рецептора гормону росту, серповидноклеточная анемія (характерна ознака – еритроцити серповидної форми у зв’язку з пониженням розчинності і підвищенням ступеня полімеризації гемоглобіну), що викликається заміною в гені β-глобіну в 6-му положенні триплета глутамінової кислоти на триплет валина, α-таласемія (характерна ознака – гемолітична анемія у зв’язку з аномальною структурою гемоглобіну по α-Глобино), що викликається випаданням деякої кількості нуклеотидів в гені α-глобінового кластера, несприйнятливість людей до вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ), що обумовлюється випаданням частини нуклеотидів (ДНК-тексту) в гені ccr5 (кодує білок-рецептор для локальних регуляторів клітинної активності β-цитокінів; мутантний білок позбавлений амінокислотноїпослідовності, необхідної для проникнення вірусу в клітини).

Посилання на основну публікацію