10.4. Биосинтез белка

Фенотипические признаки любого организма проявляются в разнообразии и количестве белков, кодируемых ДНК. Передача наследственной информации (экспрессия генов) может быть выражена схемой: ДНК  РНК  Белок.

На первой стадии реализации генетической информации, называемой транскрипцией, происходит «переписывание» нуклеотидной последовательности ДНК в одноцепочечные молекулы РНК. В результате транскрипции образуются мРНК, кодирующие аминокислотные последовательности белков, а также тРНК, рРНК и другие виды РНК, выполняющие структурные, регуляторные и каталитические функции.

В основе транскрипции лежит принцип комплементарности. Транскрипция схожа с репликацией, но отличается рядом особенностей: не требует синтеза праймера, использует не всю молекулу ДНК, а только ее отдельные короткие сегменты (отдельные гены или группы генов), требует наличия только одной из цепей ДНК в качестве матрицы.

Процесс образования молекулы мРНК на матрице ДНК в прокариотических клетках представляется относительно простым. Во многих случаях первичным продуктом экспрессии гена является молекула мРНК, уже способная к функционированию. У эукариот, в связи с наличием экзонно-интронного строения генов, мРНК проходит стадию созревания – процессинга. Процессинг иРНК включает три основных процесса: 1) кэпирования – химическая модификация 5^/-концевой последовательности мРНК; 2) сплайсинга – удаление некодирующих интронных последовательностей из мРНК и сшивание образующихся экзонов; 3) полиаденилирования – химическая модификация 3^/-последовательности мРНК.

Химический смысл кэпирования сводится к присоединению остатка 7^/-метилгуанозина посредством трифосфатной группы к 5^/-концу молекулы транскрипта, метилированию 2^/-ОН-группы первого и второго нуклеотидов на 5^/-конце мРНК. Полиаденилирование 3^/-конца первичного транскрипта включает ряд стадий и участие эндонуклеазы и полиаденилатполимеразы. Эндонуклеаза расщепляет мРНК вблизи специфической сигнальной последовательности (5^/) ААУААА (3^/), отличающейся высокой консервативностью. Полиаденилатполимераза синтезирует поли-А конец (от 20 до 250 нуклеотидов) начиная с точки распада. Считается, что основное назначение 5^/-кэп и поли-А – это защита мРНК от энзиматического распада.

Второй этап реализации генетической программы – трансляция, при котором информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Перевод осуществляется с правилами генетического кода. Полная расшифровка генетического кода была закончена в 1966 г. М. Ниренбергом, С. Очао, Н.Г. Кораном.

Генетический код устанавливает соответствие между нуклеотидной последовательностью данной мРНК и аминокислотной последовательностью данной синтезируемой на ней полипептидной цепи. Генетический код характеризуется следующими свойствами: триплетностью, специфичностью, непрерывностью, вырожденностью, универсальностью.

Генетический код триплетен, три нуклеотидных остатка (триплет) кодируют одну аминокислоту.

Специфичность генетического кода заключается в том, что один триплет кодирует только одну аминокислоту (каждую аминокислоту кодируют только определенные кодоны).

Генетический код непрерывен, не содержит «запятых», «знаков препинания», т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Код линейный, однонаправленный и непрерывающийся, в процессе синтеза белка последовательность мРНК считывается группами по три нуклеотида. Это свойство обеспечивает синтез точной последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Генетический код вырожден. Число кодирующих триплетов в три раза больше числа аминокислотных остатков, многие аминокислоты кодируются двумя и более кодонами. Вырожденность генетического кода проявляется в том, что для каждой аминокислоты существует более одной тРНК, и одна тРНК может взаимодействовать более чем с одним кодоном мРНК. В трехбуквенном генетическом коде наиболее важны первые буквы, тогда как третья буква часто бывает разной. В связи с преобладающей ролью первых двух букв кодонов генетический код иногда называют квазидуплетным (псевдодуплетным). Эта особенность кода позволяет использовать меньшее число тРНК: для взаимодействия с 61 кодоном достаточно 31 тРНК в цитоплазме и всего 22 тРНК в белоксинтезирующей системе митохондрий животных.

Генетический код универсален, т. е. един для всех живущих на Земле организмов – от бактерий до человека. Небольшие отличия имеются, однако, в генетическом коде митохондрий и хлоропластов.

В таблице 12 представлены последовательности триплетов всех кодонов, ответственных за включение каждой из 20 аминокислот в белковую молекулу.

Таблица 12