6.2. Принципы кодирования генетической информации Генетический код и его свойства

Генетическая информация о структуре белка содержится в молекуле ДНК, которая находится в ядре. Синтез белка осуществляется в цито- плазме клетки. Преодоление пространственного барьера, в виде ядерной мембраны при переносе информации из ядра в цитоплазму осущест- вляется с использованием промежуточной структуры - молекулы мРНК, что впервые было предположено в 1961 году Ф.Жакобом и Ж Моно. В процессе переноса информации с нуклеиновых кислот на белок происходит перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов на последовательность аминокислот белка. В состав белков входит 20 аминокислот; ДНК содержит нуклеотиды 4 видов, следовательно, должен существовать код, в котором аминокислотам белка соответствовала бы определенная комбинация нуклеотидов нуклеиновых кислот. Таким кодом является генетической код, с помощью которого, по словам Крика, «устанавливается связь между двумя великими полимерными языками – языком нуклеиновых кислот и языком белков» и, который переводит информацию с 4-х буквенного алфавита нуклеиновых кислот на 20-ти буквенный алфавит белков (рис.126 ).

Рис.126. Генетический код.

Информация записана в молекуле ДНК (схема 2; рис.127). Две цепи ДНК в области гена различаются по своей функциональной роли: одна является кодирующей, или смысловой, вторая – матричной.

В процессе «считывания» гена (транскрипции пре-мРНК) в качестве матрицы выступает матричная цепь ДНК (комплиментарная кодирующей); в пре-мРНК последовательность нуклеотидов комплементарная матричной, будет соответствовать кодирующей цепи ДНК (с заменой тиминовых оснований на урациловые).

Таким образом, при транскрипции в структуре мРНК воспроиз- водится информация кодирующей цепи ДНК.

Информация в кодирующей цепи ДНК записана в направлении 5′→3′; следовательно, промотор находится со стороны 5′-конца кодирующей цепи; этот же конец принято считать 5′-концом всего гена. После завершения транскрипции ДНК, информация с молекулы мРНК переводится на молекулу белка в соответствии правилам генетического кода. Генетической код – это система записи генетической информации, с помощью которой происходит перенос информации с алфавита нуклеиновых кислот на алфавит аминокислот белков.

Кодирующая цепь ДНК 5′ - ТТЦ - АТТ - ЦЦА - ТТТ - ААА - 3′

Матричная цепь ДНК 3′ - ААГ- ТАА – ГГТ - ААА – ТТТ - 5′

Транскрипция

мРНК 5′ - УУЦ - АУУ - ЦЦА - УУУ – ААА - 3′

Трансляция

Полипептид белка (NH2) - фен - иле - про - фен - лиз – (СООН)

Рис.127. Принцип записи и реализации генетической информации

Генетический код имеет ряд свойств:

1. Генетический код триплетен. «Буквами» являются нуклеотиды молекулы РНК, которые образуют «слова» состоящие из трех «букв». Эти «слова» называются кодоны - последовательности нуклеотидов ДНК, кодирующие аминокислоты. Впервые, предположение о количестве нуклеотидов в кодоне сделал Г.Гамов, считая, что кодон, вероятно, состоит из трех нуклеотидов. В 60-х годах это экспериментально подтвердили Ф.Крик, С.Бреннер и Г.Виттман. Предположим, что кодон состоит из двух нуклеотидов, тогда возможное число кодонов было бы 4²=16, что недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Если же аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, число кодонов (4³) может быть 64, следовательно, кодон состоит из трех нуклеотидов, то есть, он триплетен. Содержание генетического кода представлено в таблице, представленной Ф.Криком. Расшифровка генетического кода была осуществлена М.Ниренбергом, С.Очоа, Г. Хорана и Р.Холли в 60 годах 20 века. Из- вестно, что в молекуле РНК тимину молекулы ДНК комплементарен урацил. В таблице генетического кода кодоны не содержат тимина, следовательно, в нем указанны не кодоны ДНК, а кодоны РНК (триплеты РНК, соответствуют триплетам ДНК, так как, именно, кодоны определяют последовательность включения аминокислот, записанную в молекуле ДНК).

Из 64 кодонов 61 является смысловым, то есть, кодируют аминокислоты, а 3 кодона не несут информации об аминокислотах и являются бессмысленными или нонсенс-кодонами. К ним относятся кодоны УАА,УГА,УАГ. Они являются сигналами остановки трансляции и называются стоп-кодонами. Еще один кодон – АУГ - является иници- ирующим, то есть начинает синтез белка – трансляцию.

2. Генетический код непрерывен. При синтезе молекулы мРНК триплеты нуклеотидов ДНК считываются друг за другом без знаков препинания (запятых и точек).

3. Генетический год вырожден. Количество смысловых кодонов (61) в генетическом годе значительно больше, чем число аминокислот, которые они кодируют (20). Поэтому на 1 аминокислоту приходится несколько кодонов (от 1 до 6). Это свойство кода называется вырожденностью. В триплетах, кодирующих одну аминокислоту, смысловым (то есть, несущим информацию об аминокислоте) являются два первых нуклеотида. Третий нуклеотид может меняться. Например, аминокислота пролин кодируется триплетами ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ, в которых смысловыми являются нуклеотиды ЦЦ. Это свойство обеспечивает экономию тРНК (вместо 61-й т-РНК используется 31). Для объяснения этого явления Ф.Крик в 1966 году предложил гипотезу «качелей» (wobble hypothtsis). Согласно этой гипотезе, для связи антикодона тРНК с кодоном мРНК важными являются первые два нуклеотида. Третий нуклеотид кодона связан со вторым менее сильной водородной связью и, поэтому, его спаривание с тРНК является менее строгим (качающимся). Исходя из этого, антикодон тРНК может связываться с несколькими кодонами мРНК (схема 5). Кроме того, в случае изменения третьего не смыслового нуклеотида (например, мутация гена) информация об аминокислоте не изменится. Это обеспечива- ет высокую степень защиты кода от точечных мутаций, которые приводили бы к появлению большого числа «нонсенс-кодонов». Только 2 аминокислоты метионин и триптофан имеют по одному кодону; остальные – более двух, а аргинин, лейцин и серин – 6 кодонов.

Схема 5

Варианты возможного связывания 3^го нуклеотида антикодона

тРНК с первым нуклеотидом кодона мРНК.

третий нуклеотид

антикодона тРНК Ц А У Г И

первый нуклеотид

кодона мРНК Г У А Г У Ц У Ц А

У сходных по строению аминокислот кодоны так же сходны. Аспаргиновая кислота и глутаминовая кислота совпадают по двум первым нуклеотидам; глутаминовая кислота и глутамин - по двум последним нуклеотидам; фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин и валин - по центральному нуклеотиду.

4. Генетический код специфичен – каждой аминокислоте соответ- ствует только один смысловой кодон.

5. Генетический код колинеарен - линейная последовательность кодонов в гене соответствует линейной последовательности аминокислот в полипептиде в направлении от N-конца к С-концу.

6. Генетический код неперекрываем - каждый нуклеотид не может быть общим у двух соседних кодонов.

7. Генетический код универсален - у всех живых организмов от бактерий до человека он одинаков. Небольшие исключения характерны для кодов митохондрий и хлоропластов. Это не является противоречием универсальности генетического кода, а объясняется его эволюцией.

Итак, генетический код триплетен, непрерывен, специфичен, вырожден, колинеарен, неперекрываем и универсален.