Генетический код - Лекции по концепциям современного естествознания

Белки выполняют в организме множество функций: они катализируют биохимические реакции, осуществляют все виды клеточных движений, создают различные компоненты клеточных органелл, иными словами, от них зависит вся жизнедеятельность организма. Насколько эффективно работает тот или иной белок, зависит от его структуры, сама же структура, в конечном счете, определяется последовательностью аминокислот в его полипептидных цепях. Напомним, что молекулы некоторых белков состоят из более чем одной полипептидной цепи; молекула гемоглобина, например, состоит их четырех полипептидных цепей. Сначала синтезируются отдельные полипептиды, а затем происходит сборка полипептидов в белок.

Биохимики пришли к заключению, что генетическая информация должна - прямо или косвенно - определять последовательность аминокислот в полипептидах, а тем самым и их структуру. Поскольку ДНК и полипептиды представляют собой линейные (неразветвленные) молекулы, естественно напрашивается мысль, что порядок нуклеотидов в ДНК определяет порядок аминокислот в полипептидах (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Возможные сочетания по два при четырехбуквенном коде Четыре буквы кода

А

Ц

Г У

16 сочетаний из четырех букв по две

АА АЦ АГ АУ ЦА ЦЦ ЦГ ЦУ ГА ГЦ ГГ ГУ УА УЦ УГ УУ

Но каким же образом аминокислотная последовательность полипептида закодирована в структуре молекулы ДНК? В ДНК четыре вида нуклеотидов, и, значит, «алфавит» генетического кода состоит, очевидно, из четырех букв. Поскольку в белках встречается 20 различных аминокислот, ясно, что каждая не может определяться только одной такой буквой, ибо в этом случае 1 6 «лишних» аминокислот вообще не имели бы шансов попасть в белок. Не могут «слова» генетического языка определяться и двумя буквами, потому что из четырех букв могут состоять не более 1 6 пар, что все еще слишком мало. Число же различных сочетаний по три (триплетов) из четырех букв равно 64, а этого уже хватает с избытком. Наименьшая возможная длина «слова», определяющего ту или иную аминокислоту в «генетическом языке», - это три нуклеотида.

К началу 60-х годов накопилось уже довольно много данных в пользу триплетности генетического кода. Неизвестно было, однако, какой триплет кодирует каждую конкретную аминокислоту. Биохимикам удалось разработать методику приготовления искусственных РНК с известной последовательностью нуклеотидов. Когда эти искусственные РНК вводили в растворы, содержащие рибосомы, аминокислоты, транспортные РНК и прочие вещества, необходимые для белкового синтеза, они направляли синтез полипептидов.

В 1961 г. ученые обнаружили, что в присутствии искусственной РНК, содержащей одни только урациловые нуклеотиды, синтезируется полипептидная цепь, состоящая из остатков од-ной-единственной аминокислоты, а именно, из фенилаланина.

Стало ясно, что кодовому «слову» УУУ в РНК соответствует аминокислота фенилаланин. В дНк кодов для нее должен быть комплиментарный триплет нуклеотидов, т.е. ААА. Труднее было выявить аминокислоты, кодируемые триплетами, состоящими из разных букв; однако уже к 1965 г. был расшифрован весь генетический код.

Кодовые «слова», или кодоны, которые несет в себе матричная РНК, показаны в табл. 4.4. Обратите внимание, что 3 из 64 триплетов не кодируют никаких аминокислот: УАА, УАГ и УГА - это стоп-сигналы, обрывающие синтез полипептидной цепи. Число кодонов для аминокислот равно, таким образом, 61. Поскольку многие аминокислоты кодируются более чем одним ко-доном, код является вырожденным.

Перемещаясь вдоль молекулы матричной РНК и считывая по три ее нуклеотида, можно получить кодоны, которые будут транслироваться в определенную аминокислотную последовательность. Это означает, что слова в генетическом коде для полипептидной цепи не перекрываются. Если бы код был перекрывающимся, т.е. второе слово начиналось со второй или третьей буквы первого слова и т.д., то его возможности были бы очень ограничены.

Известно также, что слова в генетическом коде стоят непосредственно друг за другом, без пробелов, которые означали бы начало и конец кодона. Закодированное сообщение должно считываться, следовательно, с какой-то определенной начальной точки, иначе вся последовательность будет прочитана неверно. Допустим, что в РНК мы имеем последовательность УЦУАГАГЦУА, которая, если прочитать ее слева направо, будет кодировать аминокислотную последовательность сер-арг-ала. Если, однако, мы начнем ее читать не с начала, а со второго нуклеотида (Ц), то получится совершенно иная аминокислотная последовательность лей-глу-лей.

Таблица 4.4 Кодоны информационной ДНК1)

Второе основание

1) Чтобы найти аминокислоту, определяемую данным кодоном, начните со строки, относящейся к первому основанию кодона (слева), и двигайтесь вдоль этой строки до столбца, расположенного под вторым основанием кодона. Здесь найдите третье основание кодона - в крайнем правом столбце. Три стоп-кодона отмечают положение, в котором рибосома прекращает считывание мРНК и обрывает синтез полипептидной цепи. Кодон АУГ служит сигналом для начала синтеза полипептида.

Для аминокислот приняты следующие сокращения: Ала - аланин; Арг -аргинин; Асн - аспаргин; Асп -т аспаргиновая кислота; Вал - валин; Гис - гисти-дин; Гли - глицин; Глн - глутамин; Глу - глутаминовая кислота; Иле - изолей-цин; Лей - лейцин; Лиз - лизин; Мет - метеонин; Про - пролин; Сер - серин; Тир - тирозин; Тре - треонин; Три - триптофан; Фен - фенилаланин; Цис - цистеин.

Из сказанного выше видно, что мутация в ДНК гена может изменить и кодируемый этим геном белок. Мутация может выразиться в добавлении, утрате, перестройке или изменении одного или нескольких нуклеотидов в ДНК. Знакомясь с генетическим кодом по табл. 4.4, нетрудно заметить, что изменение третьего нуклеотида кодона часто остается без последствий: в полипептидную цепь включается та же самая аминокислота. Однако изменение первого или второго нуклеотида чаще всего приводит к тому, что на определенное место в полипептидной цепи включается уже иная кислота, тогда как прочие аминокислоты в этом полипептиде остаются неизменными. Добавление или утрата одного из нуклеотидов может иметь катастрофические последствия, потому что вызовет сдвиг рамки считывания, а значит, и изменение всех аминокислот от места, затронутого мутацией, до самого конца полипептидной цепи. Мутации бесконечно разнообразны, и столь же разнообразно их влияние на кодируемый данным геном белок: от полного отсутствия изменений до изменений столь серьезных, что клетка уже не может синтезировать функциональный белок.

У эукариот между генами многих полипептидов вставлены участки ДНК, не содержащие информации ни для какого полипептида. Смысл такого странного расположения еще не ясен. При транскрипции, т.е. во время синтеза мРНК, участки некодирующейся ДНК тоже транскрибируются, но потом они удаляются из мРНК еще до трансляции (т. е. до ее перевода в полипептид).

Встречается и другая крайность: у некоторых вирусов, а возможно и у некоторых бактерий есть перекрывающиеся гены, имеющие общие участки ДНК. Это, по-видимому, приспособление, позволяющее сэкономить место, что особенно важно для таких крошечных существ. Конец одного гена сможет совпадать с началом другого, или один ген может заключать в себе еще какой-либо второй ген. У одного вируса обнаружено перекрывание генов, при котором два гена начинаются в одной и той же точке. Первый ген заканчивается у стоп-кодона, но белоксинтезирующий аппарат иногда перескакивает через этот стоп-сигнал и продолжает синтезировать белок вдоль матричной РНК до тех пор, пока не дойдет до второго стоп-сигнала. Вирусу нужны оба белка, как короткий, так и длинный.