Молекулярные основы наследственности составляют нуклеиновые кислоты — ДНК (у всех микробов, одноклеточных, растительных организмов, насекомых, животных) и РНК (у некоторых вирусов, в частности онкогенных). Именно в этих крупных биополимерах с помощью единого языка, алфавит которого составляют 4 буквы — нуклеозиды, записана генетическая информация живых существ. В ДНК информация изложена чередованием аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), которые образуют определенные последовательности, связываясь остатками дезоксирибозы и фосфором в одноцепочечных молекулу.
Потом два комплементарные друг другу цепи образуют водородные связи:
- аденин-тимин (AT)
- гуанин-цитозин (ГЦ),
которые закручиваются и образуют двойную спираль, преимущественно правовинтовую, одновременно биологическое и информационную, «змеиные лестница»). Молекула РНК имеет односпиральну структуру. В ее состав вместо тимина входит урацил (У), а вместо остатка дезоксирибозы — рибоза (химически несколько иная пентоза).
Молекула нуклеиновой кислоты (НК) имеет способность к размножению, удвоение или репликации. Размножаются, тиражируются не белки, а нуклеиновые кислоты. При наличии необходимых компонентов и соответствующих ферментов на матрице каждой нити двуспиральной ДНК (после их разъединения) синтезируется комплементарный цепь новой ДНК. Репликация должна носить полуконсервативной, матричный характер. В каждой двуспиральные молекуле содержится и материнский (старый), и дочерний (новый) цепь нуклеотидов.
Генетический код объединяет последовательность нуклеотидов в ДНК и последовательность аминокислот в белках. Итак, для каждой аминокислоты существует свой кодон (кодовое слово) для перевода последовательности нуклеотидов в кодированную аминокислоту.
При реализации генетической информации происходит декодирование: речь нуклеиновых кислот (четыре буквы А, Т, Г, Ц) должна быть переведена на язык белков (20 аминокислот, условно 20 букв). Это возможно благодаря кодовому принципу: одной аминокислоте соответствует запись из трех нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Например, последовательность аденин, аденин, аденин (ААА) кодирует фенилаланин, а АТТ — лизин. Поэтому генетический код — триплетный. Но с 4 букв (А, Т, Г, Ц) можно получить 64 различные комбинации по 3 буквы (43 = 64), а в природе существует только 20 аминокислот.
Другие триплеты (кодоны) — сочетание трех нуклеотидов — не лишние. Три из них (АТЦ АЦТ, АТТ) — терминуючи, они свидетельствуют о конце синтеза, знаки препинания (как в языке — точка, запятая и т.д.). Другие обеспечивают запас прочности генома, так кодирующих те же аминокислоты, что и основные триплеты. Поэтому генетический код — вырожденный: одна аминокислота может быть закодирована в ДНК 2-4 триплетами. В одном гене кодоны расположены друг за другом, как слова в предложении, не перекрываются, что упрощает запись и делает его стабильным.
Свойства генетического кода:
- Триплетность (каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами).
- Неперекрываемость (соседние триплеты не имеют общих нуклеотидов).
- Вырожденность (как правило, аминокислота кодируется не одним, а двумя и более триплетами).
- Универсальность (генетический код в основном одинаков для всех живых организмов).
- Колинеарность (совпадение линейного порядка триплетов в ДНК, информационной РНК и аминокислот в синтезирующейся белковой цепочке).
Ген – это последовательность нуклеотидов в ДНК (у некоторых вирусов – в РНК). Обычно это сотни или тысячи нуклеотидов. Геном (число генов) у вирусов – десятки или сотни генов, бактерий – одна или несколько тысяч, млекопитающих – из тысяч генов (это 1-2 на 109 пар оснований), причем избыточной (молчащей) ДНК в десятки раз больше, чем кодирующей белки.