Генетический код. Транскрипция
Генетическая информация
Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в клетке ряд функций, то клетке необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков (компонентов мембран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту.
Каждый вид живых существ имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые белки, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми. С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга. На земле нет, например, двух абсолютно одинаковых людей или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.
Свойства белков определяются прежде всего их первичной структурой, то есть последовательностью аминокислот в молекуле белка. Наследственная информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как клетки, так и целого многоклеточного организма закодирована в виде нуклеотидной последовательности молекулы ДНК. Эта информация получила название генетической информации, а участок ДНК, в котором закодирована информация о первичной структуре какого-либо белка, называется геном.
Генетический код
Каждой аминокислоте белка соответствует комбинация из трех нуклеотидов ДНК (см. Рис. 1) – триплетов, или кодонов. Следовательно, первое свойство генетического кода – это триплетность.
Рис. 1. ДНК
Второе свойство генетического кода – это специфичность, то есть один триплет всегда кодирует только одну аминокислоту.
Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) и цитозин (C) (см. Рис. 2). Число сочетаний из 4 по 3 составляет 
, то есть ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Однако всего кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов (см. Рис. 3). Предполагается, что такое свойство генетического кода – вырожденность – повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона – ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ (см. Рис. 4). Получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде кодона не сможет привести к изменениям в структуре белка – все равно это будет кодон аланина.
Рис. 2. Состав ДНК
Рис. 3. Таблица соответствия аминокислот и кодонов
Рис. 4. Таблица генетического кода
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни различных генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена.
Генетический код универсален для всех живых организмов, то есть одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных групп организмов, от бактерий до человека. Универсальность – это четвертое свойство генетического кода.
На рисунке 5 представлены все свойства генетического кода.
Рис. 5. Свойства генетического кода
Свойства генетического кода (непрерывность, неперекрываемость)
Детальные изучения свойств генетического кода показали, что он является триплетным, специфичным, вырожденным, универсальным, непрерывным и неперекрывающимся.
У всех живых организмов код линейный, однонаправленный и непрерывный. Между триплетами нет «знаков препинания», информация считывается непрерывно.
Код неперекрывающийся. Характер кода заключается в том, что ни один нуклеотид из одного кодона не является составной частью соседнего. Например, последовательность матричной ДНК, начинающаяся с нуклеотидов АУГ/АГЦ/ГЦА, не считывается как АУГ/УГА/ГАГ (перекрывание по двум основаниям) или АГУ/ГАГ/ГЦГ (перекрывание по одному основанию).
Транскрипция
Данные, полученные с помощью различных экспериментов, показали, что процесс биосинтеза белка проходит в два этапа: транскрипция и трансляция.
Носителем генетической информации является ДНК, которая расположена в ядре клетки у эукариот, а процесс биосинтеза белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Поэтому необходимо промежуточное звено, которое переносит информацию с ДНК на рибосомы. Этим звеном является информационная РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двухцепочной молекулы ДНК раскручивается. Затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК. Это происходит следующим образом: против, например, гуанина (Г) молекулы ДНК становится цитозин (Ц) молекулы РНК, против аденина (А) молекулы ДНК – урацил (У) молекулы РНК (вместо тимина РНК несет урацил), против тимина (Т) молекулы ДНК – А молекулы РНК, и против Ц молекулы ДНК – Г молекулы РНК. Таким образом, формируется цепочка иРНК. Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции (см. Рис. 6).
Рис. 6. Транскрипция
Транскрипция – механизм, с помощью которого последовательность оснований в одной из цепей молекулы ДНК «переписывается» в комплементарную ей последовательность оснований иРНК.
Для транскрипции необходимо присутствие фермента РНК-полимеразы. Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез информационной РНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе (не нужный клетке). Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором (см. Рис. 7). РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК – терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.
Рис. 7. Синтез иРНК
У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белка. У эукариот иРНК вначале взаимодействует с ядерными белками и через ядерные поры выходит в цитоплазму, где она взаимодействует с рибосомами, и осуществляется биосинтез белка.
Ингибиторы синтеза белка
Рибосомы бактерии отличаются от рибосом эукариотических клеток. Они мельче и содержат более простой набор белков. Это широко используется в клинической практике, так как существуют антибиотики, которые избирательно взаимодействуют с белками рибосом прокариот, но никак не действуют на белки эукариотических организмов. При этом бактерии либо гибнут, либо их рост и развитие останавливается.
Существуют антибиотики, которые избирательно воздействуют на один из этапов синтеза белка, например на транскрипцию. К ним относятся рифамицины, продуцентом которых являются актиномицеты рода Streptomyces. Лучшим антибиотиком из этого класса является Рифампицин.