Генетический код

Известные нам формы живой материи содержат в качестве важнейшего компонента белки. Любой белок представляет собой только ему свойственную линейную последовательность аминокислот, способную к локальным изменениям. Широко распространены 20 аминокислот (табл. 1), все другие аминокислоты образуются путем ферментативной модификации тех или иных из 20-ти основных.

Таблица 1

Аминокислоты, которые обычно встречаются в белках

Все многообразие свойств белков определяется в конечном итоге первичной структурой, то есть последовательностью аминокислот в полипептидах, образующих белок. Специальными экспериментами было доказано, что место каждой аминокислоты в любой полипептидной цепи строго детерминировано определенным участком нуклеотидной последовательности ДНК. Иначе говоря, был установлен параллелизм последовательностей структурных единиц нуклеиновых кислот и белков. Это явление получило название колинеарности.

ДНК – линейный полимер, в котором единственное, что может измениться, - это последовательность пар оснований (нуклеотидов). Эта линейная последовательность каким-то образом должна кодировать аминокислотную последовательность белков.

В эукариотических клетках ДНК находится в ядре, а синтез белка происходит в цитоплазме (на рибосомах). Следовательно, сама ДНК не может служить матрицей при синтезе белка. Должно существовать какое-то промежуточное звено, которое переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму.

Таким звеном оказалась информационная, или матричная, РНК. Информация переносится в следующей последовательности:

ДНК иРНК белок.

Этап ДНК иРНК называется транскрипцией, а и РНК белок – трансляцией. Перенос информации между этими тремя типами макромолекул происходит только в одном

Здесь прямые стрелки обозначают возможные пути переноса информации, а крестики – запрещенные пути. Кривые стрелки показывают, что ДНК может воспроизводиться с помощью ДНК-полимеразы, а иРНК – когда она служит генетическим материалом (у РНК – содержащих вирусов), под действием РНК-полимеразы.

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Этот фермент копирует одну из цепей двойной спирали, образуя при этом комплементарную нить иРНК. Считываемая ДНК, которая содержит истинный код для того или иного белка, называется смысловой (кодирующей) цепью. Синтез начинается с реакции между двумя мононуклеотидами, цепочка растет в направлении 5^I 3^I.

В процессе транскрипции различают три основных этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Инициация – это начало синтеза; точки начала не случайны, они заданы определенными последовательностями нуклеотидов в ДНК. Элонгация – это наращивание синтезируемой цепи РНК. Терминация – это завершение роста цепочки и ее отделение от ДНК – связана с узнаванием точек конца специфических транскриптов.

Вернемся к вопросу о том, как в гене закодирована информация о первичной структуре белка. Генетический код может состоять лишь из четырех элементов: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Можно допустить, что они считываются по одному, по два, по три, по четыре. Число оснований, кодирующих аминокислоту, определяет функциональную ячейку кода, или кодон. В зависимости от того, сколько оснований образует один кодон, возможно существование следующего числа кодонов:

Поскольку в ДНК должно быть закодировано 20 аминокислот, то число кодонов из одного и двух нуклеотидов слишком мало, а 4 нуклеотида дают избыточное число кодонов. Предположили, что генетический код триплетен, так как три нуклеотида дают 64 кодона и этот избыток вполне приемлем. Экспериментальные доказательства триплетности генетического кода были опубликованы в 1961 г., а кодовый словарь был составлен в 1965 г.

В табл. 2 представлена структура линейных сочетаний по три нуклеотида, каждый из которых соответствует определенной аминокислоте. Код можно представить в виде сочетаний

Таблица 2

Генетический код

нуклеотидов либо РНК, либо ДНК. При синтезе полипептидной цепочки информация считывается непосредственно с мРНК. По этой причине, а также в силу того, что код был раскрыт главным образом в экспериментах на этапе трансляции мРНК, принято представлять кодоны в виде триплетов нуклеотидов РНК. Однако следует иметь в виду, что та же информация в форме комплементарных триплетов заключена в цепи ДНК, которая служит матрицей для образования мРНК. В другой цепи ДНК, не используемой для транскрипции, та же информация находится в виде кодонов, идентичных кодонам РНК, во всех отношениях, кроме того, что вместо остатков урацила фигурируют остатки тимина.

Рассмотрим основные свойства кода. Прежде всего, код специфичен, так как нет случаев, когда один и тот же кодон соответствовал бы более чем одной аминокислоте. Лишь два кодона, ГУГ и АУГ, несут дополнительную нагрузку. Если они находятся в начале считываемой области мРНК, то служат инициаторами синтеза пептидной цепочки; если не стоят первыми, то не отличаются по функции от других кодонов, обеспечивающих включение валина и метионина соответственно.

Генетический код является вырожденным. Из 64 триплетов только три не служат для кодирования аминокислот. Очевидна некоторая избыточность триплетов, но это не следует рассматривать как излишество. Серину и аргинину соответствует шесть триплетов, а всем остальным триплетам, кроме триптофана и метионина – по меньшей мере, два. Вырожденность кода не случайна. Для большинства аминокислот, детерминируемых несколькими кодонами, первые два основания в

Рис. 39. Общая схема биосинтеза белка (ДНК→РНК→белок)

различных кодонах одинаковы, а третье основание варьирует. Это значит, что даже при больших различиях в нуклеотидном составе ДНК организмы могут иметь одинаковый общий аминокислотный состав. Отсюда понятно, насколько вырожденность кода повышает устойчивость генетической информации при мутационных изменениях ДНК, а также при других повреждениях нуклеиновых кислот, участвующих в хранении и передаче информации.

Важнейшим свойством кода является его однонаправленность. Кодоны имеют смысл, указанный в таблице 2, лишь в том случае, если они транслируются при синтезе белка в одном направлении – от первого основания к последующим.

С механизмами трансляции кода связана и другая его особен-ность – он является неперекрывающимся. Это значит, что кодовые триплеты транслируются всегда целиком. Невозможно последовательное использование элементов одного из триплетов в сочетании с элементами другого триплета при сборке аминокислот в полипептид по схеме:

Из 64 триплетов только три не кодируют какие-нибудь аминокислоты – УАА, УАГ и УГА. Но они все выполняют очень важную функцию – служат сигналом завершения синтеза полипептида. Эти кодоны часто называют бессмысленными, нонсенс-кодонами. Все кодоны генетического кода (за исключением трех) опознаются антикодонами т-РНК.

Код является универсальным для всех живых существ. Это значит, что одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты в клетках всех типов (от вируса до организма человека).

Итак, кодон служит низшим звеном в сложной системе организации хранения генетической информации ДНК. Последовательность кодонов, идентичная последовательности аминокислот в белках, образует ген. Его можно рассматривать как функциональную единицу, определяющую синтез одного первичного продукта, который может быть полипептидом или молекулой РНК, транспортной или рибосомной.

Универсальность кода сделала возможными успехи генетической инженерии. Благодаря тому, что и у бактерий, и у человека одна и та же последовательность нуклеотидов кодирует одну и ту же последовательность аминокислот, можно с помощью бактерий получать продукты генов человека.

Однако в течение последних лет выяснилось, что универсальность кода не является абсолютной.