3.13 Генетический код и его свойства.

Генетический код служит ключом для перевода генетической информации, закодированной в ДНК, в аминокислотную последовательность белков.

Генетический код представляет собой своеобразный нуклеотидно-аминокислотный словарь, предназначенный для перевода текста с четырехбуквенного нуклеотидного языка на двадцатибуквенный аминокислотный язык белков. Генетический код обладает следующими характерными особенностями.

1.Триплетность кода.

Каждая аминокислота кодируется определенным сочетанием трех нуклеотидов (триплетом), называемым кодоном.

2. Специфичность кода.

Каждой аминокислоте соответствуют только определенные кодоны, которые не могут использоваться для другой аминокислоты.

3. Вырожденность или избыточность.

Отдельные аминокислоты имеют несколько кодонов. Об этом говорит простое сравнение: на 20 аминокислот приходится 61 смысловой кодон, т.е. в среднем каждой аминокислоте соответствуют около 3 кодонов. Причина вырожденности кода состоит в том, что главную смысловую нагрузку несут два первых нуклеотида в триплете, а третий не так важен. Отсюда правило вырожденности кода: "Если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида, а их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и туже аминокислоту".

4. Коллинеарность кода.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи коллинеарна (соответствует) последовательности кодонов в мРНК, т.е. последовательность кодонов в мРНК однозначно определяет порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

5. Непрерывность кода.

Кодоны в мРНК располагаются друг за другом без "знаков препинания", т.е. без сигналов, показывающих конец одного кодона и начало следующего кодона. Это свойство кода налагает особую ответственность на установление исходной рамки считывания.

6. Неперекрываемость (неперекрывающийся характер) кода.

Ни один из нуклеотидов одного кодона не является составной частью другого (соседнего) кодона, т.е. отдельные кодоны независимы друг от друга.

7. Универсальность кода.

Все выше перечисленные свойства генетического кода характерны для всех видов живых организмов. Универсальность кода является веским доказательством в пользу того, что все живые организмы произошли от единого предка. Благодаря универсальности кода стала возможной генетическая инженерия.

3.14 Трансляция

Назначение процесса - переписывание информации, с четырехбуквенного нуклеотидного языка на 20-ти буквенный язык аминокислот. Процесс локализован в цитоплазме либо на отдельных рибосомах, либо на полирибосомах. Полирибосомы - комплекс, состоящий из нескольких рибосом расположенных на одной молекуле мРНК. При этом каждая рибосома осуществляет независимую трансляцию, т.е. одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей белка на одной матрице.

Субстратами синтеза являются активные формы аминокислот (аминоацил-тРНК). Трансляция является одной из разновидностей матричных синтезов. Матрицей является транслируемая зона мРНК. В роли переводчика или адаптора выступает аатРНК, т.к. она знает одну букву нуклеотидного языка (антикодон комплементарен кодону мРНК) и одну букву аминокислотного языка (каждая тРНК приносит на рибосому лишь одну аминокислоту. Трансляция основана на комплементарном взаимодействии кодонов мРНК и антикодонов аатРНК. Трансляция осуществляется в направлении от 5 к 3 концу. Синтез полипептидной цепи при этом осуществляется в направлении от N -конца к С-концу, удлинение происходит со стороны С-конца.

Трансляция осуществляется в три стадии

1 стадия - инициация трансляции, которая заключается в самосборке рибосомы и установление рамки считывания. В нерабочем состоянии субчастицы рибосомы разомкнуты. мРНК связывается с малой субчастицей.

Точка присоединения к малой субчастице расположена рядом с 5 концом мРНК, так как чтение программы мРНК идет в направлении 5. В пределах субчастицы умещаются только два кодона мРНК. Первым кодоном мРНК является АУГ. Этому кодону соответствует метионил-тРНК ( N-формил метионил- тРНК у прокариот). В процессе инициации участвуют как минимум три белковых фактора инициации (F_1, F_2, F₃ ), которые облегчают связывание мРНК с малой субчастицей. После присоединения мРНК к малой субчастице рибосомы присоединяется большая субчастица. На границе двух субчастиц происходит формирование аминоацильного и пептидильного центров. При этом инициирующий кодон мРНК и метионил-тРНК устанавливаются в пептидильном центре. Это единственный случай, когда аминоацил-тРНК устанавливается в пептидильный центр.

2 стадия трансляции - элонгация. Элонгация осуществляется за счет последовательного присоединения аминокислот к С-концу синтезируемой полипептидной цепи в соответствии с программой транслируемой зоны мРНК. Каждый цикл элонгации осуществляется в три шага или фазы.

1 фаза заключается в связывании определенной аатРНК с рибосомой за счет взаимодействия в аминоацильном центре кодона мРНК и комплементарного ему антикодона в составе соответствующей аминоацил-тРНК

2 фаза элонгации - транспептидация, в ходе которой происходит перенос метионила или пептидила на аминогруппу пришедшей аат-РНК с образованием пептидной связи и возникновением дипептидил-тРНК. тРНК - донор аминокислоты остается в пептидильном центре.

3 фаза элонгации называется транслокация. Она заключается в перемещении рибосомы на один кодон мРНК. При этом пептидил-тРНК перемещается в пептидильный центр, выталкивая освободившуюся от аминокислоты тРНК из рибосомы и в свою очередь освобождая аминоацильный центр для повторения следующего цикла элонгации.

По мере элонгации полипептидной цепи спонтанно осуществляется формирование вторичной и третичной структур в соответствии с термодинамическими закономерностями, обусловленными радикалами аминокислотных остатков.

З стадия трансляции - терминация. Сигналом окончания синтеза полипептидной цепи является поступление в аминоацильный центр одного из кодонов терминации УАА, УАГ, УГА. Поскольку к указанным кодонам нет комплементарных антикодонов в составе тРНК , образовавшийся пептидил-тРНК соскакивает с рибосомы последующим отщеплением тРНК а сама рибосома диссоциирует на субчастицы.

Трансляция является энергозависимым процессом. На образование одной пептидной связи расходуется более трех эквивалентов АТФ. Одна из них используется на образование активной формы аминокислоты. Вторая молекула макроэрга - ГТФ расходуется для связывания аминоацил-тРНК с рибосомой. Третий эквивалент- также ГТФ затрачивается на транслокацию на стадии элонгации. Кроме того, на инициацию на всю синтезируемую молекулу требуются дополнительные макроэрги.