ДНК как накопитель информации и расшифровка сигнала с помощью аминокислот

Френсис Крик охарактеризовал свое открытие - взаимодействие 2 «языков»: «Обнаружение генетического кода действительно является великим достижением. Это, в определенном смысле, ключ к молекулярной биологии, потому что это показывает, как связаны друг с другом два великих полимерных языка: язык нуклеотидов и язык белков». Генетический код – последовательность нуклеотидов в ДНК какого-либо организма, что определяет его индивидуальность, то есть универсален для всего живого, одинаков для всех организмов. Многообразие всех живых организмом обеспечивается за счёт многообразия белков. А специфическое строение белка, в свою очередь, определяется порядком и количеством различных аминокислот, входящих в его состав. Последовательность аминокислот пептида зашифрована в ДНК с помощью биологического кода. ДНК - собой различные варианты чередования всего четырех нуклеотидов: пуриновые: аденин и гуанин; пиримидиновые: цитозин и тимин. Нуклеотиды, как правило, противопоставляются друг другу: как пурины, так и пиримидины, по количеству трех или двух водородных и связи. Конечно, данные признаки биохимические, то есть которые относятся к субстанции. Они имеют парадигматическую и синтагматическую значимость, это проявляется: при приводящей к «синонимии» нейтрализации, при преобразованиях «кодон ⇔ антикодон» и формировании комплементарных пар нуклеотидов. Других признаков, которые каким-либо образом влияли бы на процессы генетического чтения, нет. Семиотические характеристики нуклеотида исчерпываются этими двумя дифференциальными признаками, абстрагированными от всего комплекса его биохимических и структурных характеристик. Что дает основания применительно к процессам генетической трансляции рассматривать нуклеотид как абстрактную единицу. Как и применительно к другим знаковым системам, в случае генетического кода действует принцип «язык есть форма, а не субстанция». В ДНК моносахарид представляет собой 2′-дезоксирибозу, которая содержит лишь 1 группу ОН, в отличие от РНК представленной рибозой, которая, в свою очередь, имеет 2 группы OH. Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида. На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец), а на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец). Участок молекулы ДНК, кодирующий определенный признак, – ген. Это индивидуальные генетические элементы, которые имеют строго специфичную нуклеотидную последовательность и кодируют конкретные признаки организма. Одни из них кодируют белки, следующие - только молекулы РНК. Информация, содержащаяся в генах, которые кодируют белок, то есть структурные гены, расшифровывается в ходе двух последовательных процессов. Первый из которых - синтеза РНК: на определенном участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК. Другой - синтез белка. Таким образом, благодаря слаженной работе многокомпонентной системы при участии транспортных РНК, мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы. Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее структуру и функции

.
Расшифровка сигнала с помощью аминокислот происходит следующим образом. Полимерные цепи белков, как правило, состоят из мономерных звеньев, представленных аминокислот. В связи с этим понятно, что в ДНК должна храниться информация о качественном и количественном составе аминокислот в молекуле данного белка, последовательности их расположения. ДНК, содержит пуриновые и пиримидиновые основания, на участках одной их цепей ДНК при помощи фермента РНК – полимеразы строятся комплиментарные короткие цепи РНК. Данный процесс синтеза РНК на матрице ДНК, происходящий за счет ферментов - транскрипции. В завершении происходит передача информации на РНК. Важно понимать, что транскрипция происходит на отдельных участках ДНК, то есть генах, каждый из которых содержит набор кодонов, которые программируют последовательности аминокислот в данной молекуле белка. Затем следующим этапом идет синтез белков, идущих на построение организма. Сам синтез происходит следующим образом. Синтез комплементарных копий ДНК в ходе процесса репликации обеспечивается в клетках всех организмов ферментами ДНК-полимеразами (ДНКП). На основе анализа последовательностей и особенностей строения ДНКП у различных организмов было выделено шесть различных семейств ДНКП: A, B, C, D, X и Y. Эукариотические ДНКП относятся к четырем семействам A, B, X, Y (ДНКП семейств С и D встречаются только у бактерий и архей соответственно) и характеризуются большим разнообразием, различаясь по биохимическим свойствам, точности копирования ДНК и функциям. У человека насчитывается как минимум 14 различных ДНКП: α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, ι, κ, λ, μ, ν и Rev1. Высокая точность воспроизведения генетической информации является необходимым условием нормальной жизнедеятельности клеток и организма. Репликативные ДНКП В семейства эукариот (Pol ε и Pol δ) осуществляют синтез ДНК с очень высокой точностью. Частота ошибок Pol ε и Pol δ при репликации составляет 10–6–10–7. Точность репликации обеспечивается высокой селективностью активного центра ДНКП при включении dNTP и 3'5'корректирующей экзонуклеазной активностью, которая локализуется в отдельном активном центре фермента. В каждом каталитическом цикле репликативных ДНКП связывание входящего dNTP сопровождается конформационными перестройками фермента, в результате которых dNTP оказывается «закрыт» внутри активного центра. Эффективный катализ при этом возможен только при наличии уотсокриковских взаимодействий и соблюдении правильной геометрии нуклеотидной пары в активном центре. Первый этап – на базе функционирования транспортной РНК. В цитоплазме клетки всегда в достаточном количестве имеются разные аминокислоты, из которых молекула отбирает соответствующую себе аминокислоту. Каждая аминокислота до вступления в белковую цепь благодаря специального фермента соединяется с АТФ и запасается энергией, после чего данная аминокислота связывается с т-РНК, переносящая ее к рибосомам. Отличительная черта - наличие в их структурах антикодонов. Эта особенность обеспечивается расположением соответствующих аминокислот в той последовательности кодонов, зашифрованная в молекуле и-РНК. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, реализуется разными видами РНК в молекулах соответствующих белков. Процесс передачи программы, принесенной с собою молекулами и-РНК - трансляция