3.3.7. Генетический код

Первые сведения о связи генов с синтезом ферментных белков были

получены в опытах с мутантами нейроспоры (N. Crassa), индуцируемыми рентгеновским излучением (Бидл Д., Тейтем Э., 1941). Под действием рентгеновских лучей у мутантных форм блокировался синтез одного из жизненно важных метаболитов в связи с отсутствием нужного фермента, который у нормальных генотипов функционирует. Таким образом, было отмечено, что в результате мутации теряется способность к синтезу определённого фермента, под действием которого образуется нужный метаболит. Поэтому для обеспечения жизнедеятельности полученного мутанта данный метаболит необходимо добавлять в питательную среду. Из этих опытов стало ясно, что синтез ферментов в клетках организмов связан с активностью соответствующих генов, и на основе полученных экспериментальных данных была сформулирована гипотеза «один ген – один фермент». Согласно этой гипотезе синтез каждого фермента в организме осуществляется под контролем определённого гена.

Гипотеза «один ген – один фермент» дала ключ к пониманию молекулярного механизма генетических процессов и возможность предположить, как гены влияют на формирование признаков у живых организмов. Под контролем генов осуществляется синтез ферментов, которые катализируют образование соответствующих метаболитов, а с участием этих метаболитов уже происходит направленное формирование тех или иных признаков организма. Однако после открытия четвертичной структуры белков стало очевидно, что большинство белковых молекул (включая и ферменты) состоят из нескольких полипептидов, каждый из которых имеет определённую первичную структуру и кодируется своим структурным геном. На основе этих данных была сформулирована новая гипотеза для объяснения генетических процессов – «один ген – одна полипептидная цепь».

После того как была установлена генетическая функция ДНК, связанная с хранением наследственных свойств организма, биохимикам стало ясно, что каждый ген представляет собой часть молекулы ДНК, которая состоит из определённой последовательности нуклеотидных остатков, соединённых фосфодиэфирными связями. Сопоставление генетических карт мутаций генов, определяющих полипептидные последовательности белков, показало, что мутации, вызывающие аминокислотные изменения в конце полипептидной цепи, размещаются на генетической карте хромосомы дальше от её начала, чем аналогичные мутации, изменяющие аминокислотные остатки в начале полипептидной цепи.

Следуя логике указанных экспериментов, биохимики сформулиро-вали очень важную закономерность, что полинуклеотидные последовательности генов и полиаминокислотные последовательности белков колинеарны, а полинуклеотидная последовательность гена определяет полиаминокислотную последовательность соответствующего полипептида.

При изучении нуклеотидного состава ДНК и аминокислотного состава белков различных организмов было определено, что в ДНК содержится значительно больше нуклеотидных остатков, чем аминокислотных остатков в составе белков. Отсюда возникло предположение, что каждый аминокислотный остаток полипептидной цепи белка кодируется не одним нуклеотидом. Тем более было известно, что в составе ДНК имеются только четыре вида нуклеотидных остатков, а протеиногенных аминокислот – 18 и ещё два амида, участвующих в построении белковых молекул.

Даже если предположить, что каждый аминокислотный остаток белка кодируется последовательностью из двух нуклеотидных остатков в структуре гена, то получится только 16 комбинаций нуклеотидных остатков из четырёх по два, что тоже недостаточно для кодирования 20 аминокислотных остатков. Только комбинации нуклеотидных остатков из четырёх по три обеспечивают кодирование указанного количества протеиноген-ных аминокислот. Всего их образуется 64, поэтому возникает вопрос: все ли комбинации, включающие последовательности из трёх нуклеотидных остатков, используются для кодирования аминокислотных остатков в структуре белков.

Ответ на этот вопрос был получен в 1961 г. М. Ниренбергом и Г. Мат-тэи, которые изучали различные РНК в качестве матриц для синтеза белков. Они проводили опыты с использованием системы синтеза белков in vitro. Эта система включала неочищенный экстракт растворимых веществ из клеток кишечной палочки (E. сoli), содержащий молекулы тРНК и ферменты, катализирующие связывание аминокислот с тРНК. В этот экстракт добавляли рибосомы, выделенные из клеток кишечной палочки, все протеиногенные аминокислоты, а также систему, генерирующую синтез АТФ.

И когда в такую систему синтеза белков ввели в качестве матрицы, кодирующей структуру полипептида, синтетический полинуклеотид, обра-зованный из остатков уридиловой кислоты, соединённых фосфодиэфирны-ми связями (поли-У), то в качестве продукта синтеза был обнаружен полипептид, построенный из повторяющихся остатков аминокислоты фенилаланина, хотя в системе синтеза белков содержались все протеиногенные аминокислоты. Если же в качестве матрицы для синтеза белков использовали полинуклеотид из повторяющихся остатков цитидиловой кислоты (поли-Ц), то продуктом синтеза являлся полипептид, построенный из повторяющихся остатков пролина. При использовании в качестве матрицы в системе синтеза белков полинуклеотида поли-А образовывался полипептид, состоящий из остатков лизина.

Если следовать концепции кодирования аминокислотных остатков в белках последовательностью из трёх нуклеотидных остатков, то из результатов опытов М. Ниренберга и Г. Маттэи следовало, что остаток аминокислоты фенилаланина в полипептидных цепях белков кодируется в мРНК последовательностью из трёх нуклеотидных остатков уридиловой кислоты УУУ, остаток пролина – ЦЦЦ, остаток лизина – ААА. Указанные последовательности из трёх нуклеотидных остатков в полинуклеотидных цепях мРНК, кодирующие определённые аминокислотные остатки в структуре белков, было предложено называть триплетами или кодонами.

В дальнейшем Х.Г. Корана синтезировал искусственные полинуклеотиды с известной и регулярно чередующейся последовательностью нуклеотидных остатков. В ходе изучения аминокислотного состава полипептидов, синтезирующихся при использовании указанных искусственных полинуклеотидов в качестве матриц в системе синтеза белков in vitro, были выяснены все другие триплеты, кодирующие аминокислотные остатки в структуре белков.

На основе полученных данных составлена таблица, содержащая 64 кодона триплетного генетического кода (табл. 3.2). В ней указаны триплеты, кодирующие аминокислотные остатки (всего их 61), и три терминирующих кодона (УАА, УАГ, УГА), которые не кодируют аминокислотные остатки в белках у большинства организмов, а используются в качестве сигналов, прекращающих синтез на рибосомах белковых полипептидов.