Вивчаємо ДНК і Новомосковський генетичний код
І так багато сотень сторінок.
Як такий монотонний текст, складений за все з чотирьох знаків, може кодувати інструкції, необхідні для створення складних істот? Більш того, як взагалі можна прочитати цю нісенітницю?
Щоб зрозуміти мову ДНК, потрібно навчитися розшифровувати гени і геноми за допомогою генетичного коду. Це дозволить нам порівнювати види організмів з різним ступенем спорідненості - від найближчих до дуже далеких родичів, чиї шляхи розійшлися на самих ранніх етапах еволюції. Усвідомлення того, як працює еволюція, виникає тоді, коли ми починаємо розуміти значення спільності і відмінностей між організмами.
Щоб літопис ДНК допомогла зрозуміти хід природної історії, потрібно твердо оволодіти мовою ДНК і механізмом організації живих систем на підставі укладеної в ДНК інформації. Не хвилюйтеся, навчитися розуміти мову ДНК не так уже й важко. У неї дуже простий алфавіт, вельми обмежений набір слів і прості правила граматики. Винагорода за ваші труди - здатність бачити і розуміти процес еволюції на самому фундаментальному рівні. Я згоден, що в нових термінах часом важко розібратися, тому раджу відзначити цей розділ закладкою і при необхідності до нього повертатися.
Білки - це молекули, які в кожному організмі виконують всі види робіт: вони переносять кисень, формують тканини і копіюють ДНК для передачі наступному поколінню. ДНК кожного виду організму містить у собі специфічні інструкції (у вигляді коду), необхідні для побудови цих білків.
ДНК складається з двох ниток, освічених підставами чотирьох типів. Підстави, ці хімічні цеглинки ДНК, позначають буквами A, C, G і T. Нитки ДНК утримуються між собою за рахунок міцних хімічних зв'язків, що утворюються між парами підстав на двох нитках: A завжди утворює пару з T, а C - з G, як показано на малюнку:
Якщо нам відома послідовність однієї нитки ДНК, по ній можна відтворити послідовність протилежної нитки. Інструкції для побудови кожного білка задаються унікальною послідовністю підстав ДНК (TCGATAA і т. Д.). Дивно, але все розмаїття життя на планеті забезпечується перестановками лише цих чотирьох підстав. Таким чином, щоб зрозуміти це різноманітність, ми повинні розшифрувати генетичний код.
Як будуються білки і як вони розуміють, в чому полягає їх функція? У ролі будівельних цеглинок білків виступають амінокислоти. Кожна амінокислота кодується послідовністю трьох підстав ДНК, або кодоном (ACT, GAA і т. Д.). Хімічні властивості цих амінокислот, з'єднаних в довгі ланцюги (середній білок складається приблизно з 400 амінокислотних залишків), визначають унікальну дію кожного білка. Фрагмент ДНК, що кодує окремий білок, називається геном.
Зв'язок між кодом ДНК і послідовністю білка була встановлена приблизно 40 років тому, коли біологи розшифрували генетичний код. Декодування ДНК і побудова білка здійснюються в два етапи. На першому етапі послідовність підстав однієї нитки ДНК транскрибується в послідовність РНК, яка називається матричної (або інформаційної) РНК (мРНК). Потім, на другій стадії, мРНК транслюється в амінокислотну послідовність, з якою формується білок. У клітинах генетичний код зчитується (з транскрипту мРНК) триплету, кожен з яких визначає одну амінокислоту (короткий приклад представлений в правій частині рис. 3.2).
Мал. 3.2. Експресія ДНК. Схематичне зображення основних стадій перетворення ДНК в функціональний білок. Зліва зображена довга послідовність ДНК, що містить кілька генів. Далі - експресія частини одного з генів, що відбувається в дві стадії. Спочатку одна з ниток ДНК транскрибується в послідовність мРНК. Потім послідовність мРНК транслюється в білок, причому послідовність трьох підстав в мРНК (триплет) кодує одну амінокислоту в білку (тут амінокислоти позначені буквами L, N, P і O). У молекулі мРНК замість підстави T використовується підставу U. Малюнок Ліанн Олдс.
Існує 64 різних триплетів, утворених комбінаціями підстав A, C, G і T в ДНК, але амінокислот в складі білків всього 20. Це означає, що одну і ту ж амінокислоту кодує декілька триплетів (три триплета не кодують нічого, а позначають закінчення перекладу мРНК в послідовність білкової ланцюга, як точка позначає кінець пропозиції). Для нас вами дуже зручно (і має величезне еволюційне значення), що цей код, за кількома невеликими винятками, один і той же для всіх видів організмів (ось чому для отримання людських білків, таких як інсулін, можна використовувати бактерії).
Таким чином, знаючи специфічну послідовність ДНК, можна визначити закодовану в ній послідовність білка. Однак не вся послідовність ДНК кодує білки. Досить велика частка ДНК є «некодирующей». Перша проблема, з якою стикаються вчені при розшифровці довгою послідовності ДНК, полягає у визначенні початку і кінця «кодує» області. На щастя, тепер це завдання вирішують на комп'ютерах за допомогою спеціальних алгоритмів, які відмінно шукають і знаходять «голки» в «стогах» ДНК.
Кодирующая послідовність середнього гена складається приблизно з 1200 підстав. У деяких видів організмів, зокрема у бактерій або дріжджів, тисячі генів упаковані дуже щільно і розділені порівняно короткими проміжками некодирующей ДНК. У людини і багатьох інших складних істот гени складають лише невелику частку всієї ДНК і поділяються протяжними некодуючими ділянками. Якісь із цих ділянок потрібні для регуляції функцій генів, а решта називають сміттєвої ДНК. Ця сміттєва ДНК накопичується в геномі в результаті дії кількох механізмів і часто містить довгі повторювані ділянки, що не несуть інформації. Ці ділянки не будуть видалені з ДНК природним відбором, якщо тільки не роблять шкідливого впливу. Я не буду довго розповідати про цю ДНК, але не згадати про неї не можна, оскільки вона становить помітну частину нашого геному - як відкрите море, що розділяє групи островів (гени).