Трофименко Е. Г. Программная реализация  расчета  нуклеотидных последовательностей при биосинтезе белка / Е. Г. Трофименко, В. А. Издебский // Моделирование в прикладных научных исследованиях : материалы ХVII семинара. – Одесса : ОНПУ, 2009. – С. 88-91

Izdebsky, V. A.

Trofimenko Elena G.

Издебский, В. А.

Трофименко Елена Григорьевна

Трофименко Олена Григорівна

Undetermined

Electronic National University Odessa Law Academy Institutional Repository

МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ – XVII 2009 88 ПРОГРАММНАЯ  РЕАЛИЗАЦИЯ  РАСЧЕТА  НУКЛЕОТИДНЫХ   ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ  ПРИ  БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА Трофименко Е.Г., Издебский В.А.  Общеизвестно, что генетический код – это определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК. Это свойственный всем жи-вым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Исследованием и моделированием структурно-функциональной организации различных генов занимаются при разра-ботке современных лекарственных аппаратов, диагностических средств, проводников электричества и всевозможных наноструктур и наномеханических устройств, в кри-миналистике, в исследованиях молекулярной археологии и палеонтологии и др. Все это обуславливает актуальность создания удобных программных средств для анализа, исследования и моделирования функционального строения нуклеотидных последова-тельностей, кодирующих потенциальные белки.  Проанализировав существующие доступные в сети Интернет-сайты [1, 2], по-священные решению задачи расчета последовательностей нуклеотидов и аминокис-лот при биосинтезе белка было выявлено ряд характерных недостатков. К ним можно отнести, во-первых, отсутствие графического интерфейса для наглядности процесса; во-вторых, чрезмерное количество биологических терминов и отсутствие описаний и пояснений, что затрудняет понимание происходящих трансляций; в-третьих, отсутст-вие параллельного символического соответствия представления исходной последова-тельности аминокислот и результатов расчетов цепи. Кроме того, большинство суще-ствующих Интернет-ресурсов, посвященных проблемам генетики и генетическим ис-следованиям, занимаются торговлей биосырья и генетического материала и в их ус-луги не входит решение конкретной задачи расчета цепей биополимеров при биосин-тезе белка. Помимо этого следует отметить, что предлагаемые программы, как прави-ло, достаточно дороги для приобретения, а, следовательно, недоступны для широко круга обычных пользователей.  Целью данной работы была разработка такой программного приложения, которое позволило бы производить расчет цепей нуклеиновых кислот и бел-ковой молекулы на основных этапах биосинтеза белка при различных вариантах исходных данных, позволя-ло бы получить образное представление (отображе-ние) пространственного соответствия кодонов и ами-нокислот в цепях, наглядное отображение возможных вариаций при изменении (или постоянстве) состава исходной цепи. Молекула ДНК в наиболее типичной конфигура-ции представляет собой двойную закрученную плек-тонемически (т.е.  требующую обязательного раскру-чивания при ее разделении на составные части) пра-вую спираль, образованную двумя полинуклеотидны-ми цепями (рис. 1). Пространственную структуру бел-ка задаёт порядок расположения аминокислот. Коли-чество аминокислот велико, но в белках встречается только 20 разных аминокислот. Их можно рассматри-Рис. 2. Генетический код. Рис. 1. Структура ДНК. МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ – XVII 2009 89 вать как алфавит «языка» белковой молекулы. Для удобства эти аминокислоты обо-значают символами, используя одну или первые три буквы русского или английского названия аминокислоты, например аланин – Ала или А, глицин – Гли (Gly) или G [1]. Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белко-вой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рис. 2.  В ДНК используется четыре нуклеотида – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые обозначаются буквами А, G, C и Т [3]. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом – урацилом, который обозначается буквой U. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Причем, при формиро-вании двойной спирали действует принцип комплементарности [4], согласно которо-му аденинам одной цепи соответствуют тимины другой, а гуанинам одной – цитози-ны другой и наоборот. Эти соотношения известны как правила Чаргаффа, который показал, что ДНК включает равные количества определенных азотистых оснований и вывел для двуцепочечной ДНК следующие закономерности: A = T, G = C; A + G = C + T; A + C = G + T. Все последующие работы с ДНК, независимо, молеку-лярная ли это биология либо другая, казалось бы, далекая от нее дисциплина, так или иначе построены на принципе комплементарности азотистых оснований.  Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последова-тельность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называе-мом транскрипцией. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это пе-ренос генетической информации с ДНК на РНК (перекодировка).  Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информа-ции. Трансляция представляет собой осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК (иРНК или мРНК). На рис. 3 показан вид главного окна программы, меню которого позволяет вы-брать и осуществить расчеты соответствующих цепей нуклеиновых кислот (рис. 4, а) и белковой молекулы (рис. 4, б).   МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ – XVII 2009 90   Рис. 3. Главное окно программы.    а б Рис. 4. Окна расчетов: а) цепей нуклеиновых кислот; б) цепи аминокислот белка.   Разработанная программная реализация проста и непритязательна в использова-нии и позволяет вводить и редактировать нуклеотидные последовательности, транс-лировать нуклеотидную последовательность в белковую, транслировать белковую последовательность в нуклеотидную с учетом неравномерности использования кодо-нов-синонимов и представлять результаты в удобном (таблично-графичном) виде.  В разработанном программном приложении реализован простой и удобный пользовательский интерфейс средствами C++ Builder. Предусмотрена проверка кор-ректности и соответствия введенных данных в диалоговом режиме. Программа пре-доставляет возможность сохранения вводимых и обрабатываемых данных в файл, а также выбор данных из ранее созданных файлов. Тем самым возможно создавать, анализировать и сохранять базы различных нуклеотидных последовательностей.  Также пользователю предоставлена возможность изучить и проанализировать МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ – XVII 2009 91 графическое представление основных этапов биосинтеза белка: транскрипции и трансляции (рис. 5).           а б  Рис. 5. Схематическое представление: а) транскрипции, б) трансляции.  Таким образом, предлагаемая программа отображает «математическую» сторону процесса биосинтеза белка и будет полезной для специалистов, различных сфер, ис-пользующих в своей работе принципы структурно-функциональной организации ге-нов, а также научно-познавательной для обычного пользователя.  Литература  1. Режим доступа: http://molbiol.ru/scripts/. 2. Режим доступа: http://oligos.ru/index.html. 3.  Чемерис А.В.,  Вахитов В.А.  Новая старая ДНК.  Уникальные черты самой главной молекулы или почему ученые разных специальностей в последнее время обращают на ДНК все больше внимания / Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН. – Уфа, 2002.  4. Шабарова З.А., Богданов А.А., Золотухин А.С. Химические основы генной инжене-рии. – М.: Изд-во МГУ, 1994.   

Программная реализация  расчета  нуклеотидных последовательностей при биосинтезе белка

http://dspace.onua.edu.ua/bitstream/11300/4181/1/Trofimenko%20E.%20G.%20Programmnaya%20realizaciya%20rascheta.pdf

Программная реализация расчета нуклеотидных последовательностей при биосинтезе белка

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic National University Odessa Law Academy Institutional Repository