?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (IXa)
caenogenesis
Тема IXa
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)


Пока гены считались белками, все было относительно просто. Белок представляет собой линейную цепочку аминокислот, которые могут чередоваться в любом порядке. Двадцать аминокислот (а на самом деле даже больше) - это количество, вполне сравнимое с количеством букв в греческом или финикийском алфавите. На таком носителе можно сохранить какую угодно информацию. "Белок является как бы длинным предложением, записанным с помощью двадцати букв" (Крик, Ниренберг, 1964).
Надо, правда, заметить, что до открытия двойной спирали практически никто из биологов в таких понятиях не рассуждал. Перейти с привычного "аналогового" языка традиционной биологии на "цифровой" язык новой биологии, изучающей информационные процессы, им было очень непросто; многим даже крупным ученым, профессионально сложившимся до 1953 года, это так никогда и не удалось. А когда двойная спираль была открыта, сразу же оказалось, что общая схема тут несколько сложнее, чем можно было бы ожидать. Стало понятно, что "базой данных", хранящей последовательности белков, служит совсем другой полимер, резко отличающийся от белка химически и к тому же содержащий всего четыре типа мономеров вместо двадцати. Так возникла проблема перекодировки, или, в более привычной нам всем терминологии, - проблема генетического кода.
Тут нужно пояснение. В Сети и публицистике попадается мнение, будто генетический код - примерно то же самое, что генетическая информация. Так вот, это совершенно неправильно. Код - это не сама информация, а словарь, с помощью которого ее можно прочитать. Или более строго: генетический код - это способ перевода друг в друга текстов, записанных с помощью двух разных алфавитов - нуклеотидного и аминокислотного. Своего рода шифровальный ключ. Последнее - даже не метафора: первые теоретики, писавшие о генетическом коде, сразу предложили использовать для его расшифровки математический аппарат криптографии.
Итак, чего можно ожидать от генетического кода? Рассуждения ученых, занявшихся этим вопросом, были следующими.
● Протеиногенных аминокислот 20, а нуклеотидов в ДНК всего 4. Значит, каждая аминокислота должна кодироваться не одним нуклеотидом, а неким их сочетанием. Примерно так, например, вводятся с помощью клавиш китайские иероглифы.
● Двоек нуклеотидов (дублетов) возможно всего 16, для кодирования всех аминокислот этого не хватит. Значит, генетический код должен быть как минимум триплетным (Gamow, Ycas, 1955).
● Троек нуклеотидов (триплетов) возможно 64, то есть их намного больше, чем аминокислот. Значит, каждая аминокислота скорее всего кодируется не одним триплетом, а несколькими. Генетический код - избыточный (иногда это называют "вырожденный").
Человека, который первым опубликовал эти соображения, звали Георгий Антонович Гамов (George Gamow). Это был крупный физик-теоретик, причастный к созданию теории Большого взрыва. Занятия биологией для него были эпизодом, но очень плодотворным. Гамов вычислил "на кончике пера" основные параметры генетического кода, и вскоре эксперименты показали, что предсказал он их правильно.
Почти одновременно с Гамовым (похоже, что даже немного раньше) очень похожие выкладки совершенно независимо подготовил другой ученый - эмбриолог Александр Александрович Нейфах. Но его статью не приняли к публикации! "Редакция "Известий Академии наук. Серия биологическая" отклонила статью, сославшись на то, что формальные математические соображения неприменимы к такой самобытной науке, как биология" (Аспиз, 2001). Эта история как нельзя лучше показывает, насколько трудно было большинству биологов переключиться с "аналогового" мышления на "цифровое". А Нейфах в результате остался без приоритета; после Гамова публиковать статью с теми же расчетами было уже бессмысленно.
“Самым трудным в проблеме кода было понять, что код существует, - писал соавтор Гамова Мартинас Ичас (Martynas Ycas). - На это потребовалось целое столетие. Когда это поняли, то для того, чтобы разобраться в деталях, хватило каких-нибудь десяти лет”.


Вот так выглядит полный генетический код. Каждая тройка нуклеотидов, кодирующая определенную аминокислоту, называется кодоном. Генетический код состоит из 61 кодона, кодирующего аминокислоты, и трех стоп-кодонов, на которых синтез полипептидной цепи останавливается. Всего кодонов 64, как и предсказывал Георгий Гамов.
Правила пользования таблицей генетического кода следующие. На левой оси нужно выбрать первую "букву" кодона, на верхней - вторую, и на правой третью. Например, кодон ТТТ (три тимина подряд) кодирует аминокислоту фенилаланин, и кодон ТТЦ (тимин-тимин-цитозин) - тоже. Кодоны, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называются синонимичными. Довольно часто (но не всегда!) бывает, что синонимичные кодоны отличаются друг от друга только последней "буквой", как мы это и видим в случае с фенилаланином. Вместо тимина в этой таблице можно везде поставить урацил: эти два основания в данном контексте взаимозаменяемы (урацил, так же как и тимин, может комплементарно спариваться с аденином).


Молекулярная машина, синтезирующая белок, то есть сшивающая аминокислоты в нужном порядке - рибосома - представляет собой комплекс нескольких молекул рибосомной РНК (рРНК) с несколькими десятками молекул особых белков. У эукариот, например, молекул рибосомной РНК в каждой рибосоме четыре. Рибосомная РНК обычно составляет около 70% всей РНК клетки, потому что рибосом очень много.
Сам процесс синтеза белка на рибосоме называется трансляцией. Прежде чем вникать в ее механизм, выделим два общих момента. Во-первых, аминокислота, которую надо присоединить к белку, поступает в рибосому не в свободном виде, а будучи связанной с неким специально адаптированным для этой реакции переносчиком. Во-вторых, нуклеиновая кислота, с которой рибосома считывает транслируемую последовательность - как ни странно, отнюдь не ДНК. Прямо с ДНК трансляция в живой природе не идет никогда; это редкий в биологии случай, когда можно сделать категоричное утверждение без всяких оговорок.
А с чего же тогда трансляция идет? Молекулярно-биологические исследования быстро выявили два факта:
● Для синтеза белка совершенно необходима РНК, причем не только рибосомная, но и какая-то еще.
● У эукариот ДНК находится в ядре, в то время как синтез белка всегда идет в цитоплазме.
Было логично предположить, что в ядре синтезируется некая молекула-посредник (messenger), копирующая нуклеотидную последовательность того участка ДНК, который нужно транслировать. Потом эта молекула-посредник перемещается к месту синтеза белка и дает “инструкцию” рибосоме.
Такая молекула-посредник действительно существует. Она называется информационной РНК (иРНК). Иногда ее еще называют мРНК - от слова “матричная”, и заодно это копирует английское сокращение mRNA (messenger RNA). Но сокращение "иРНК" в современном русском языке используется куда чаще, так что мы примем его.

  • 1
Возможно я недостаточно внимательно читал, но всё же - откуда вообще возникла первоначальная идея, что генетическая информация может храниться в аналоговом виде? Ведь само существование молекул и атомов как бы намекает (если не сказать больше) на дискретный способ хранения.
(спасибо за ваш цикл статей! Хотя для не связанного с биологией человека - всё же сложновато. Слишком легко и часто используются спецтермины)

1. До рубежа 19-20 веков даже физики не были до конца уверены в реальности существования атомов и молекул. "А вы видели хоть один атом?" (с) Эрнст Мах

2. По-моему, я нигде не использую специальные термины, которые перед этим не пояснил. Если поймали меня на обратном - укажите. Но да, цикл рассчитан на то, чтобы читаться как единое целое, а не кусками.

Edited at 2016-06-16 05:11 pm (UTC)

Ваш аргумент ведёт к тому, что по-настоящему аналоговой информации в нашем мире вообще быть не может, не так ли?

Хороший вопрос :)
Полагаю, здесь следует различать материальный носитель (который, очевидно, всегда дискретный, если исходить из квантовой физики) и саму информацию (которая может использовать этот носитель по-разному).

Мне тоже так кажется. То есть, грубо говоря, сигнал может быть по сути аналоговым, несмотря на дискретность материального носителя. Весь вопрос в том, какие наименьшие порции сигнала могут влиять на смысл сообщения. Если "кванты" носителя намного меньше, чем минимальная различимая системой смысловая разница, то сигнал будет функционально аналоговым. И, таким образом, "само существование молекул и атомов" ни к чему, строго говоря, не обязывает. Что хранение генетической информации связано именно с молекулярным уровнем, стало ведь известно далеко не сразу. "Апериодический кристалл" Шрёдингера там, и всё такое...

> сигнал может быть по сути аналоговым, несмотря на дискретность
> материального носителя
Да.
> вопрос в том, какие наименьшие порции сигнала
> могут влиять на смысл сообщения
_Влияние_ на информацию и целенаправленное изменение информации - это принципиально разные вещи. Т.е. я могу записать на грампластинку информацию, а потом взять и разбить/нагреть её. Второе действие явно на записанную информацию повлияет, но это не будет записью информации (точнее говоря, это запишет информацию о факте удара/нагрева, что не имеет отношения к информации, которая была на пластинку ранее записана).
Так же как радиация изменяет ДНК, однако нельзя назвать радиацию способом сохранения наследственной информации.

Существование молекул и атомов само по себе - да, не обязывает. Однако, если идти от обратного - а какой, хотя бы теоретический, способ аналогового хранения наследственной информации могли тогда предположить учёные?
(я погуглил про "апериодический кристалл" - там вроде нет намёка на аналоговость)

Нет, мне кажется, это как раз то самое и есть. Я определяю информацию как выбор из возможных состояний. Если сообщение изменено - оно содержит другую информацию. Это в общем виде, мне кажется, здесь нет нужды обсуждать нюансы типа "осмысленная/неосмысленная информация" etc. Дело не в этом. Вопрос в том, являются ли возможные состояния дискретными или могут изменяться плавно. В первом случае информация будет цифровая, во втором - аналоговая. Но тут внезапно мы обнаруживаем, что состояния в любом случае будут дискретными - когда я кручу реостат, увеличивающий яркость лампочки, я на самом деле увеличиваю яркость не плавно, так как свет состоит из квантов. Но. Если я не различаю "соседние" состояния, они для меня сливаются, тогда для моих глаз яркость меняется плавно, и сигнал получается функционально аналоговый. Ведь что такое плавное изменение, что такое континуум? Это когда я не попадаю второй раз ровно в ту же точку. Если количество состояний ограничено, они будут повторяться. Но если их намного больше, чем система в состоянии различить - сигнал получается аналоговым.

Если генетическая информация хранится на молекулярном уровне - дискретность имеет значение, она "заметна". Замена одного нуклеотида может радикально изменить содержание. Значит, код цифровой. Если бы она хранилась, скажем, в виде формы каких-то макро-объектов (в смысле, размером намного больше молекулярного), был бы аналоговый. Скажем, глубина вмятинки или угол, образуемый какими-то частями может меняться плавно. Молекулярная дискретность на этом уровне не видна.

По-моему, как-то так.

>Серия биологическая" отклонила статью, сославшись на то, что формальные математические соображения неприменимы к такой самобытной науке, как биология" (Аспиз, 2001). Эта история как нельзя лучше показывает, насколько трудно было большинству биологов переключиться с "аналогового" мышления на "цифровое".

Потрясающий факт...

Да) Хотя ничего удивительного, это в природе человека.

Мне кажется, похожая история в настоящее время происходит в области исследований работы мозга. Есть те, кто, грубо говоря, тыкают в него иголками и записывают что произошло, когда ткнули в то или иное место. И есть те, которые пытаются строить математические и алгоритмические модели.
Между ними мало того, что глубокое непонимание, так часто ещё и откровенное презрение :)

"Генетический код - избыточный (иногда это почему-то называют "вырожденный")"
Термин пришел, видимо, из квантовой механики, где "вырожденным энергетическим уровнем" называют ситуацию, когда разные состояния имеют одинаковую энергию (и потому трудно различимы).
А туда он, в свою очередь, пришел из алгебры матриц, где "вырождением" называют ситуацию одинаковых собственных значений для разных решений (что не позволяет сделать между ними выбор и тем самым не позволяет решить систему уравнений).

Как бы там ни было, я его считаю неудачным, потому и поленился выяснять его происхождение. Но - спасибо, пояснение полезное.

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (IXa). ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (IXa). ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ [...]

Вопрос о синтезе по случайной иРНК

У меня такой странный, возможно, даже глупый вопрос: если синтезировать иРНК длиной в несколько сотен нуклеотидов с совершенно СЛУЧАЙНОЙ последовательностью мономеров (включить нужное для инициации трансляции, то есть инициирующий кодон), то произойдёт ли синтез на рибосоме всей кодируемой такой иРНК полипептидной цепи? Не "заподозрит" ли рибосома что-то неладное?

Re: Вопрос о синтезе по случайной иРНК

Думаю, что нет, не заподозрит. В начале расшифровки генетического кода вообще синтезировали РНК, в которой был один урацил, и ничего. Рибосома на то и рибосома, чтобы ей было все равно, что синтезировать.

Re: Вопрос о синтезе по случайной иРНК

>>>В начале расшифровки генетического кода вообще синтезировали РНК, в которой был один урацил, и ничего.

Но эти РНК, кажется, были короткими?

>>>Рибосома на то и рибосома, чтобы ей было все равно, что синтезировать.

Да, такое представление о рибосоме сформировалось, но его желательно всё же проверить.

Re: Вопрос о синтезе по случайной иРНК

Ну проверьте. Но меня бы очень удивило, если бы синтез белка как-то зависел от его осмысленности с точки зрения рибосомы.

И, простите, РНК женского рода (:

Если рнк химически довольно активны + постоянное засорение урацилом, как рибосомы существуют в клетке? Регулярно ломаются и синтезируются новые?

Добрый день!
Не совсем понял. На рибосоме происходит сшивание аминокислот в белок или синтез самих аминокислот?

Сшивание аминокислот в белок.

А каким образом и где происходит синтез АК?

В цитоплазме, для этого есть специальные метаболические ферменты. Аминокислоты - достаточно простые молекулы, их синтез ничем принципиально не отличается от синтеза, например, каких-нибудь сахаров или спиртов.

Т.е. получается, что функция кодирующих нуклеотидов заключается, исключительно, в кодировании белков?
А как нуклеотиды утилизируются после выполнения своей функции?

  • 1