Молекулярные основы общей и психологической генетики. Учебное пособие

3. Генетический код

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов — снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг-друга за счет водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). Этот принцип комплементарности действителен для структуры и механизмов функционирования всех нуклеиновых кислот.

И нуклеиновые кислоты и белки являются полимерами, т.е. длинными органическими молекулами, состоящими из набора чередующихся звеньев — мономеров. Поэтому свойства и структура белков, которая определяется в первую очередь их первичной структурой (линейной последовательностью аминокислот — мономеров), тоже зашифрованы в линейной последовательности — последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Основным кодирующим элементом служит триплет — последовательность из трех нуклеотидов, которая называется кодоном. Комплементарная ей последовательность, которая будет с ней связываться, называется антикодоном, соответственно. В настоящее время в результате большого числа исследований установлена структура и значение 64 кодонов. Из них 61 кодон кодирует включение в структуру белка определенной аминокислоты, а три остальных называются терминирующими, или стоп кодонами, и сигнализируют о завершении процесса трансляции.

Генетический код связывает последовательность оснований данного гена или его РНК-транскрипта с аминокислотной последовательностью соответствующего белка.

11

Основные особенности

Код триплетный, т.е. одна аминокислота задается последовательностью из трех нуклеотидов, называемой кодоном.

ВДНК имеются четыре основания, а в белках — 20 аминокислотных остатков; синглетный код мог бы кодировать только четыре аминокислотных остатка, дублетный — 4 х 4 = 16 аминокислот, а триплетный образует 4 х 4 х 4 = 64 разных кодона.

Код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований ABCDEFGHI первые три основания ABC кодируют аминокислоту 1, DEF — аминокислоту 2 и т.д. Если бы код был перекрывающимся, то последовательность ABC кодировала бы аминокислоту 1, CDE — аминокислоту 2 и т.д.

Вкоде отсутствуют «запятые», т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.

Направление чтения закодированной записи — от 5'-конца

к3'-концу мРНК, являющейся транскриптом «+»-цепи ДНК, считанным с нее в направлении 5' → 3'›. Первый с 5'-конца кодон отвечает N-концевой аминокислоте полипептидной цепи. Следо-

вательно, белки синтезируются от N-конца к С-концу.

Таблицакодауказывает,какаяаминокислотакодируетсятемили иным кодоном. В таблице 2 первый (с 5'-конца) нуклеотид помещен

влевом столбце, второй — в верхней строке, а третий (на 3'-кон- це) — в правом столбце. Из представленных в таблице 2 64 кодонов 61 кодон детерминирует ту или иную аминокислоту (например, CUAотвечает лейцину Leu), а три остальных кодона являются сигналами терминации (Терм). Эти три кодона называются­ нонсенс-ко- донами, поскольку они не определяют никакой аминокислоты.

Помимо этого, когда кодоны AUG для Met и иногда GUG для Val находятся в начале последовательности, и соответст­ вующие аминокислоты должны быть помещены в начале белковой цепи, эти аминокислоты обычно присутствуют в виде N-формильных производных. Когда же эти кодоны находятся

влюбом другом месте последовательности, то в пептидную цепь включаются нормальные Met и Val (см. рис. 5).

12

Код вырожден, т.е. большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном (см. табл. 3). Например, Phe коди­ руется двумя кодонами — UUU и UUC. Кодоны, которые определяют одну и ту же аминокислоту, называются кодонами-си- нонимами.

13

Химические свойства разных аминокислот находят отражение в структуре кода. Все кодоны с U во втором положении кодируют аминокислоты с гидрофобной боковой цепью (Phe, Leu, He, Met и Val). Если исключить терминирующие кодоны, то наличие А во втором положении определяет полярную или заряженную боковую цепь (Туг, His, Gin,Asn, Lys,Asp и Glu).

14

Мутация — это изменение в последовательности оснований генетического материала данного организма.

Знание генетического кода позволяет объяснить эффект некоторых мутаций.

Молчащая мутация — это такое изменение в нуклеотидной последовательности, которое приводит к образованию синонимичного кодона, и в результате аминокислотная последовательность кодируемого белка не изменяется.

Структура кода такова, что молчащие мутации часто бывают обусловлены изменениями оснований лишь в третьем положении кодона.

Замена (миссенс-мутация) нуклеотида, которая ведет в результате такого изменения последовательности оснований к замещению одной аминокислоты другой, не приводит к образованию синонимичного кодона.

Так, заболевание серповидно-клеточная анемия возникает в результате замены Glu на Val в шестом положении (3'-цепи гемоглобина человека. Это обусловлено изменением кодона GAA на GUA, т.е. заменой А на U во втором положении.

Мутация со сдвигом рамки обусловлена вставкой или удалением (делецией) одного или большего числа оснований в последовательности, так что при этом изменяется рамка считывания. Это приводит к изменению аминокислотной последовательности белка от точки мутации до С-конца молекулы.

Универсальность генетического кода означает, что все живые организмы-эукариоты, прокариоты и вирусы используют один и тот же код.

15

4. Структура РНК

Хотя РНК и не является носителем наследственности у высших животных, мы должны рассмотреть основные основы ее структуры и функционирования, поскольку она занимает исключительно важное положение в системе синтеза белка, т.е. в реализации­ генетической программы организма.

Рис. 6. Схема строения тРНК.

16

Рис. 7. Пространственная структура тРНК.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках бывают трех основных типов:

1)информационная (матричная, мРНК), которая представ­ ляет собой «слепок» с цепи ДНК, в которой закодирована последовательность аминокислот. Матричная РНК переносит их к месту синтеза белка.

2)транспортная (тРНК), которая доставляет аминокислоты

кместу синтеза белка

3)рибосомная (рРНК). — входит в рибосомы участвующие

всинтезе белка.

Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли — «шпильки» — за счет водородных

17

связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК. Участки цепи РНК в таких спиральных участках не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписывающиеся в двойную спираль.

Первичная структура РНК — порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нуклеотиды связаны между собой 3', 5'-фосфодиэ- фирными связями.

Третичная структура РНК

Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путем взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками достаточно отдаленными друг от друга и/или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например Mg2+.

Транспортные РНК

Пространственную структуру любых тРНК описывают универсальноймоделью«клеверноголиста»(см.рис.6и7).Вкаждой молекулетРНКна3'-концемолекулыестьучасток,ответственный за связывание с определенной аминокислотой и антикодон — специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплепентарно с кодоном мРНК. В состав тРНК в небольшом количестве входят минорные основания (в основном метилированные нуклеотиды). Они делают молекулы тРНК устойчивыми к действию нуклеаз и поддерживают их третичную структуру.

18

Матричная РНК

Первичная структура всех мРНК, независимо от их уникальной кодирующей белок последовательности, имеет общие черты строения.

1.На 5'-конце присутствует модифицированный нуклеотид 7-метилгуанозин-5'-трифосфат или — «кэп».

2.Далее следует несколько -AUG- триплетов.

3.За ним идет инициирующий триплет.

4.Далее — кодирующая белок часть.

5.После расположен один из стоп-кодонов — -UGA-, -UUA-,

-UAG-.

6.На 3'-конце присутствует последовательность из 100– 200 аденозинмонофосфатных остатков.

Рибосомальные РНК

Они имеют многочисленные спирализованные участки и содержат несколько модифицированных нуклеотидов. По размеру выделяют 4 вида рРНК. Все они образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из 2-х субъединиц — малой (40S) и большой (60S).

19

5. Основы репликации

Репликация ДНК — это процесс, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК.

КомплементарностьоснованийвродительскойДНКозначает­ , что против G в одной цепи всегда располагается С, а против А — всегда Т. При репликации цепи родительской ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей, определяющей последовательность оснований в новой, комплементарной цепи ДНК. Таким образом, информация, заключенная в последовательности оснований ДНК, с высокой точностью передается следующему поколению.

Для синтеза новой цепи ДНК необходимы:

1)ДНК-матрица, которая может быть как в одно-, так и

вдвухцепочечной форме;

2) дезоксирибонуклеозид-трифосфаты (ATP, CTP, GTP

иТТР) и

3)3'-ОН-группа нуклеиновой кислоты-затравки, к которой присоединяется следующее основание.

Репликативная вилка — это та часть молекулы ДНК, которая уже расплелась и в данный момент служит матрицей для синтеза дочерней ДНК (см. рис. 8). В ходе репликации репликативная вилка перемещается вдоль молекулы.

20