Генетический код. Понятие, свойства генетического кода. Биосинтез белка

Ф КГМУ 4/3-04/02

ИП  №6 от 14 июня 2007 г.

 

Карагандинский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра молекулярной биологии и медицинской  генетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция

 

Тема: «Генетический код. Понятие, свойства генетического кода. Биосинтез белка»

 

Дисциплина: Молекулярная биология и медицинская генетика

 

Специальность: 051301 «Общая медицина»

Курс: 1

Время: 50 мин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Караганда 2012

 

 

 

 

 

 

 

Утверждена  на заседании кафедры. 

Протокол  № _1_ от «_31_» __08____2012

 

Заведующий  кафедрой   ____________________ Б.Ж. Култанов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура лекции

 

Тема: «Генетический код.  Понятие, свойства генетического кода. Биосинтез белка»

Цель: Изучение генетического кода, способов записи генетической информации и основных свойств кода.

 

План  лекции:

1. История  расшифровки генетического кода.

2. Свойства  кода.

3. Понятие  коллинеарности генетического кода.

4. Функциональные  центры рибосом.

5. Этапы трансляции.

6.Предположение  Г. Гамова о триплетности кода.

7.Избыточность или вырожденность кода.

8.Специфичность  кода.

9.Универсальность  кода.

10.Непрерывность  кода.

11.Неперекрываемость  кода.

 

Тезисы  лекции

Все многообразие жизни обусловлено разнообразием  белковых молекул, выполняющих в  клетках различные биологические  функции.

Структура белков определяется набором и последовательностью  расположения аминокислот в их пептидных  цепях.

Именно эта  последовательность аминокислот в  пептидах зашифрована в молекулах  ДНК с помощью биологического (или генетического кода).

В 1954г. Г. Гаммовым было высказано предложение, что кодирование информации в молекулах ДНК должно осуществляться сочетаниями нескольких нуклеотидов.

Т.к. в природе  обнаружено 20 различных аминокислот, составляющих многообразие белков, для  их шифровки необходимо три нуклеотида, т.е. триплетный код. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется: 4³=64 триплета. (Если бы код состоял из 2-х нуклеотидов, то можно было зашифровать только 16 аминокислот 4²=16).

Полная расшифровка  генетического кода проведена в 60 годы 20 века. Из 64-х триплетов ДНК 61 триплет кодирует различные аминокислоты, а 3 триплета называются бессмысленными, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислоты, а выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации (АТТ, АЦТ, АТЦ).

 

Свойства кода:

1. Код триплетен, т.е. единицей генетического кода является триплет или кодон.
2. Вырожденность или избыточность кода – многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. (Оно очень важно, т.к. замена в цепи ДНК одного нуклеотида может не изменить смысла триплета, и соответственно информации), т.к. новый кодон может кодировать ту же аминокислоту.
3. Специфичность – каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту.
4. Универсальность генетического кода – это полное соответствие кода у различных видов живых организмов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых форм на Земле.
5. Непрерывность – последовательность нуклеотидов считывает триплет за триплетом без пропусков и знаков препинания (каких то промежуточных нуклеотидов).
6. Неперекрываемость – соседние триплеты или кодоны не перекрывают друг друга, а каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной программе.

Сама информация о белке в гене (исключая интроны) состоит в том, что линейная последовательность триплетов кодирует линейную последовательность аминокислот в первичной структуре данного белка.

Именно первичная  структура определяет пространственную конфигурацию белковой молекулы, ее биологические  и физико-химические свойства.

Линейное соответствие между последовательностью триплетов в экзонах гена и аминокислот в пептидной цепи обозначается как коллинеарность генетического кода.

 

Биосинтез белка.

1.Подготовительные  стадии

В трансляции участвуют не свободные аминокислоты, а амино-ацил-тРНК. Образование данного комплекса повышает реакционную способность аминокислот и происходит сопряжение аминокислоты с ее антикодоном. Каждая молекула тРНК используется в качестве носителя аминокислот многогранно.

 

Функциональные  центры рибосом.

Процесс трансляции начинается со сборки активной рибосомы, т.е. инициации трансляции. Форма субъединиц рибосом и их контактирующих поверхностей сложная. Собранная рибосома по форме похожа на сердце.

Между большой  и малой субъединицами находятся  углубления (полости) в контактирующих поверхностях, где имеются центры, катализирующие образования пептидной связи и перемещение рибосомы относительно мРНК.

Рибосомы  прокариот и эукариот сходны по строению и по функциям.

В рибосоме есть 2 бороздки. Одна удерживает растущую полипептидную цепь, другая – мРНК. Также в рибосоме выделяют 2 центра или участка:

1.Аминоацильный (А-участок)  – в нем размещается амино-ацил-тРНК, несущий аминокислоту.

2.Пептидальный (П-участок), располагается тРНК с  цепочкой аминокислот, соединенных  пептидными связями.

В рибосоме в  каждый момент находятся 30 нуклеотидов, но происходит взаимодействие только 2-х тРНК с двумя расположенным  рядом кодонами мРНК.

Трансляция информации на язык аминокислот заключается в постоянном наращивании пептидной цепи, в соответствии с информацией, заключенной в мРНК.

В ходе трансляции выделяют 3 фазы:

- инициацию;

- элонгацию;

- терминацию  синтеза;

 

Фазы  инициации

Это начало синтеза пептида. Здесь происходит объединение двух субъединиц рибосомы и присоединение первой амино-ацил-т-РНК. Инициирующий стартовый кодон АУГ шифрует аминокислоту метионин, поэтому первой в пептидном участке занимает место тРНК несущая метионин.

Процессы  инициации трансляции катализируются белками – факторами инициации.

 

Фаза  элонгации

Это удлинение  пептида, начинается от момента образования  первой пептидной связи до присоединения  последней аминокислоты.

Здесь события  циклически повторяются, - происходит узнавание амино-ацил-тРНК очередного кодона, находящегося в А-участке  и комплементарное взаимодействие между антикодоном и кодоном.

Благодаря особенностям строения тРНК при соединении антикодона с кодоном м-РНК аминокислота располагается в А-участке, недалеко от аминокислоты находящейся в П - участке. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, в результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей тРНК и присоединяется к амино-ацил-тРНК, расположенной в А-участке, а тРНК из Р- участка уходит в цитоплазму.

Перемещение т-РНК, нагружено пептидной цепочкой из А-участка в П-участок сопровождается передвижением рибосомы по мРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Теперь следующий кодон контактирует с А-участком, где он будет узнан  соответствующим амино-ацил тРНК, которая разместит здесь свою аминокислоту и так будет повторяться до тех пор, пока в А - участок не поступит кодон-терминатор, для которого нет тРНК.  Сборка пептидной цепи идет с большой скоростью.

Фаза  терминации

Завершение  синтеза полипептида, происходит узнавание специфическим рибосомным белком терминирующего кодона (УАА, УАТ или УГА). При этом к последней аминокислоте присоединяется вода, теряется связь с рибосомой, которая распадается на 2 субъединицы, и могут начинать синтез новой пептидной цепи.

Синтез  белка

Начинается  с образования комплекса рибосома-мРНК, в котором участвуют факторы инициации белковой природы (ФИ1, ФИ2, ФИ3).

Рибосома  содержит 2 функциональных участка:

1. Пептидный (Р) – происходит рост полипептидной цепи;
2. Аминоацильный (А) – происходит узнавание кодонов.

Этапы синтеза белка

1. Инициация;
2. Элонгация;
3. Терминация.

1. Инициация  – узнавание антикодоном тРНК  – кодона иРНК и движение  тРНК с аминокислотой в центре  Р, где она ее оставляет. 

2. На стадии  элонгации процесс повторяется снова, аминокислоты соединяются пептидной связью, мРНК перемещается относительно рибосомы. За 1 мин-100 пептидных связей.

3. Стадия  терминации начинается с появлением  нонсенса-кодона и соединением  белка от рибосомы.

Процесс синтеза  белка контролируется 9-ю факторами белковой природы:

3-на инициации;

3-на элонгации;

3-на терминации.

После окончания  синтеза белок попадает в полость  ЭПС, приобретает вторичную, третичную  структуру и используется в процессах  жизнедеятельности.

Иллюстративный  материал: Презентация

Литература

Основная:

1. Генетика. Учебник для медвузов/ Под ред. академика РАМН В.И. Иванова. – М..: ИКЦ «Академкнига», 2006.– 640с..
2. Введение в молекулярную медицину /Под.ред. М.А.Пальцева, М.Медицина, 2004
3. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология: учеб.пособие для медвузов.-М.: Мед. информ. агентство, 2003 г.- 536 с.
4. Фаллер, ЖДжеральд М. Молекулярная биология клетки: Руководство для врачей. Пер. с анг. – М.: Бином-Пресс, 2006 г. – 256 с.
5. Култанов Б.Ж., Кислицкая В.Н., Есильбаева Б.Т. Генетика и индивидальное развитие: Алматы ТОО «Эверо», 2012, 152 с.

Дополнительная:

1. Казымбет П.К., Мироедова Э.П. Биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов. – Астана, 2006, 2007.
2. Медицинская биология и генетика/ Под.редакцией Куандыкова Е.У.,     Алматы, 2004
3. Пехов А.П. Биология: мед. Биология, генетика и паразитология: Учебник/ А.П. Пехов. М.: ГОЭТОР-Медиа, 2011. – 653 с.

Стамбеков С.Ж., Короткевич О.С., Петухов В.Л. Генетика: Учебник для вузов РК/ - Новосибирск: 2006. – 616 с.

 

 

Контрольные вопросы:

1.Понятие  генетического кода.

2.Количество  кодирующих триплетов.

3.Функции  бессмысленных кодонов.

4.Основные  свойства кода.

5.Функции  аминоацильного участка.

6.Функции  пептидального участка.

7.Перечислите этапы трансляции.

8.О чем  свидетельствует универсальность кода.

9.Значение  избыточности кода.