Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/4

← Предыдущая глава	Глава 3.4	Следующая глава →
Генетический код

В последовательности нуклеотидов ДНК закодирована последовательность аминокислот в белках

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) представляет собой полимерную молекулу сложной структуры длиной от нескольких тысяч пар нуклеотидов (пн) до нескольких миллионов пар нуклеотидов.

кишечная палочка ~3,8 мпн (~ 1,3 мм)
дрожжи ~13,5 мпн
дрозофила ~105 мпн
человек ~3000 мпн (~ 1 метр), длина всех 23 молекул ДНК гаплоидного набора хромосом)

В ДНК зашифрована информация о первичной структуре белков посредством комбинации нуклеотидов. Процесс «переписывания» этого кода с ДНК в молекулы РНК называется транскрипцией, а синтез белка в рибосомах по матрице иРНК, в ходе которого происходит «перевод» нуклеотидного кода в последовательность аминокислот — трансляцией.

Генетический код ДНК состоит из триплетов, то есть из тройных комбинаций нуклеотидов. При транскрипции генетический код «переписывается» в последовательность нуклеотидов иРНК. Тройки нуклеотидов иРНК, кодирующие аминокислоты, называются кодонами. Из 64 возможных триплетов (4³) 61 являются смысловым кодонами, то есть кодируют аминокислоты. Все кодоны триплетны, неразрывны и не перекрываются в тексте (как считалось по одной из гипотез), а также не разделены межкодонными знаками. Все кодоны однозначны, то есть каждый кодон кодирует единственную аминокислоту.

Генетический код содержит в себе также знаки пунктуации (начала и конца трансляции). Кодоны AUG, GUG и UUG у прокариот помимо кодирования аминокислот кодируют ещё и команду начала трансляции. Однако однозначность генетического кода при этом не нарушается, так как инициирующие знаки располагаются в определенном окружении (контексте), способном образовывать самокомплементарные субъединицы. У эукариот инициирующими триплетами являются AUG, UUG, AUA и ACG. Три кодона из 64 (UGA, UAG, UAA) не кодируют аминокислот, а служат знаками окончания трансляции (стоп-кодоны). Обычно ими заканчиваются все транслируемые гены. Возникновение в результате мутации нонсенс-кодонов внутри гена приводит к преждевременной терминации трансляции и прекращению синтеза белка.

Расшифровке генетического кода помог синтез искусственных РНК

В1953 году Фрэнсис Крик совместно с Джеймсом Уотсоном сделал предположение, что только 20 кодонов генетического кода имеют значение, а остальные 44 триплета являются бессмысленными. В 1961 Ф. Крик с сотрудниками получил подтверждение гипотезы триплетного неперекрывающегося кода без запятых.

Расшифровать генетический код удалось in vitro, благодаря технике белкового синтеза в бесклеточных системах, то есть в клеточных экстрактах, содержащих все необходимые компоненты аппарата трансляции (тРНК, иРНК, рибосомы, аминокислоты, ферменты, источник энергии (АТФ и ГТФ), а также вспомогательные компоненты), за исключением только принадлежащий клетке мРНК. Вводя в такие экстракты искусственно синтезированные мРНК, можно было изучать включения меченых аминокислот в строящиеся белки. М. Ниренберг и Ф. Ледер провели опыт по помещению в бесклеточную систему трансляции различных олигорибонуклеотидов и выявили, что конкретные тририбонуклеотиды, ассоциированные с рибосомами, связывают только определенные фракции тРНК, с определенными мечеными аминокислотами. Например, олигорибонуклеотид УУУ связывает тРНК, имеющую антикодон ААА и несущую аминокислоту фенилаланин. Следовательно, кодон мРНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин. С помощью такого метода к 1965 году генетический код был расшифрован полностью.

Летом 1966 года на симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе (США) все полученные данные были систематизированы Ф. Криком. Расшифрованный генетический код E. coli, исследованный методом in vitro, полностью согласовывался также с другими независимыми данными, полученными методом in vivo для других видов.

Основные свойства генетического кода одинаковы у всех живых организмов

Генетический код — способ кодирования последовательностью нуклеотидов в ДНК аминокислотной последовательности белков. Для генетического кода характерны следующие свойства (см. следующие разделы):

Триплетность — каждая аминокислота закодирована триплетом — сочетанием трех соседних нуклеотидов ДНК

Вырожденность — большинство аминокислот кодируются более чем одним триплетом

Неперекрываемость — триплеты читаются подряд без перекрывания, начиная с одной стартовой точки

Непрерывность — в пределах участка, кодирующего одну молекулу белка или РНК, триплеты читаются

подряд, без пропусков

Однозначность — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту или является терминатором трансляции
Универсальность — все живые существа используют одинаковые наборы кодонов для кодирования одних и тех же аминокислот.

Генные знаки препинания Участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу РНК, называется геном. После каждого кодирующего белок участка гена находится стоп-кодон, регулирующий трансляцию. К таким «знакам препинания» относятся и стоп-кодоны UAA, UAG и UGA. Эти сигналы опознаёт рибосома, но не РНК_полимераза — для неё на ДНК есть свои «стоп-сигналы», состоящие более чем из трех нуклеотидов.

Кодон AUG (первый после лидерной последовательности) выполняет роль «заглавной буквы», то есть кодирует метионин (у эукариот) или формилметионин (у прокариот), с которого начинается образование полипептидной цепи в процессе трансляции.

Кодоны UAA (охра, или Ochre), UAG (амбер-кодон, или Amber) и UGA (опал, или Opal) являются терминаторными кодонами и кодируют прекращение (терминацию) синтеза полипептиднойцепи трансляции.

Если AUG — «заглавная буква», стоп-кодоны — «точки», то с «абзацем» можно сравнить оперон и комплементарная ему мРНК, присутствующие только в прокариотической клетке. Оперон — участок ДНК бактерии, отвечающий за отдельный участок метаболического пути. Он кодирует совместно или последовательно работающие белки, объединенные под одним (или несколькими) промоторами.

У эукариот внутригенные стоп-кодоны и иные «знаки препинания» отсутствуют, что было экспериментально доказано Сеймуром Бензером и Фрэнсисом Криком в 1961 году. У прокариот с оперона часто считывается одна молекула полицистронной мРНК. В её нуклеотидной последовательности есть несколько стоп-кодонов, а между ними — рамки считывания для нескольких полипептидных цепочек. При трансляции прокариотическая рибосома «перепрыгивает» стоп-кодоны и продолжает синтез следующего белка, а синтезированная полипептидная цепь при этом отделяется от рибосомы.

Генетический код триплетный

У всех живых организмов генетический код триплетный. Это означает. что одна аминокислота кодируется тремя следующими друг за другом нуклеотидами ДНК - триплетом. Три нуклеотида иРНК, кодирующие одну аминокислоту или представляющие собой сигнал остановки синтеза, называются кодоном. Трёхбуквенные "слова" нуклеотидного языка, в котором есть всего четыре буквы - самые короткие, с помощью которых можно закодировать все 20 основных аминокислот. Если составлять нуклеотидные слова из двух букв, то их будет всего 16 - не хватает! Трёхбуквенных слов хватает уже с избытком - их 64. Почти все триплеты (кроме трех, а в некоторых случаях - кроме одного) значащие, поэтому код вырожденный (см. ниже).

Генетический код неперекрывающийся

В 1956 году американский ученый Джордж Гамов высказал предположение о перекрываемости генетического кода. Оно заключается в следующем: предположим, у нас есть следующая последовательность нуклеотидов: УУАГУААЦГУАА

В этой последовательности могут действовать кодоны

УУА   ГУА   АЦГ   УАА 
ххУ   УАГ   УАА   ЦГУ   ААх 
хУУ   АГУ   ААЦ   ГУА   Ахх

Плюс перекрываемого кода — компактность (недаром это свойство обнаружено у некоторых генов вирусов). Минус — явная зависимость структуры белка от замены нуклеотида.

После расшифровки генетического кода было показано, что он неперыкрывающийся, то есть в последовательности нуклеотидов УУАГУААЦГУАА действуют только кодоны УУА ГУА АЦГ УАА.

Как правило, для каждого гена существует одна открытая рамка считывания.

Генетический код непрерывный

До расшифровки генетического кода выдвигалось предположение, что только 20 кодонов - значащие, остальные пропускаются при считывании кода. Однако выяснилось, что значащих кодонов 61, и лишь три кодона (стоп-кодоны) не кодируют аминокислот. При синтезе белка (трансляции) рибосома движется по иРНК, пока не достигает стоп-кодона, считывая все кодоны подряд, без пропусков.

У бактерий многие иРНК полицистронные. Они кодируют несколько полипептидных цепей, и кодирующие их последовательности разделены стоп-кодонами. При трансляции бактериальная рибосома "перескакивает" стоп-кодоны, сразу же начиная синтез следующей полипептидной цепи; белок, синтез которого закончился, при этом отделяется от рибосомы.

Генетический код вырожденный

В 1954 году американский ученый Джордж Гамов высказал предположение о кодировании одним кодоном одной аминокислоты, но это предположение оказалось неверным. Так как триплет состоит из трёх последовательных нуклеотидов, а всего этих нуклеотидов четыре различных, возможных триплетов может быть 4 ³=64 (кроме стоп-кодонов UAA, UAG и UGA, так что не 64, а 61), что превышает количество существующих аминокислот. В связи с этим было высказано предположение, подтвердившееся в дальнейшем, о так называемой вырожденности генетического кода — одну аминокислоту кодирует больше одного триплета, за исключением метионина и триптофана.

Отдельные аминокислоты кодируются группами (сериями) кодонов-синонимов. 18 серий из 20 содержат от двух до шести кодонов, две серии (для аминокислот метионина и триптофана) не вырождены и содержат по одному кодону. Средняя вырожденность генетического кода приблизительно равна трём кодонам на серию.

Вырожденность называется систематической, если синонимичные кодоны различаются либо пуринами, либо пиримидинами, либо вообще любыми из четырех своих нуклеотидов. Этим принципам удовлетворяют только 30 пар кодонов из 32 возможных, а также только восемь тетрад из 16. Остальные же варианты вырожденности называются несистематическими. Они относятся, как правило, к большим сериям: лейцин и аргинин — связные серии, серин — несвязная серия, изолейцин, кодируемый в три кодона — полносвязная серия.

Генетический код однозначный

Единственный известный на сегодняшний день пример, когда это свойство нарушается — использование кодона UGA у инфузории Euplotes crassus. В зависимости от окружения он кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин [1].

Генетический код универсальный

Универсальность генетического кода означает использование всеми живыми организмами одного генетического кода, то есть все живые существа используют одинаковые наборы кодонов для кодирования одних и тех же аминокислот.