Генетический код

Представление о том, что генетическая информация о струк­туре белковых молекул зашифрована в ДНК путем определенно­го расположения нуклеотидов, конкретизировал Ф. Крик в гипо­тезе последовательности, согласно которой последовательность элементов гена определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Было установлено, что наслед­ственную информацию с ДНК считывает иРНК, которая образу­ется комплементарно одной из цепей ДНК. Однако не было известно, каким образом переводится нуклеотидная последова­тельность иРНК в аминокислотную последовательность поли­пептидной цепи. Можно было предположить, что генетический код не может состоять из одного или двух нуклеотидов, так как их только четыре и сочетаний из двух (4²¹) может быть только 16, а аминокислот 20. Г. Гамов в 1954 г. впервые высказал мысль о том, что генетический код должен быть триплетным. В этом случае получается (4³) 64 сочетания, и их вполне достаточно для кодирования всех аминокислот.

Начало экспериментальному анализу природы генетического кода положили М. Ниренберг и Дж. Маттеи в 1961 г. Они созда­ли простейшие синтетические полимеры типа иРНК. Искусст­венно полученный полимер, содержащий только уридиновые нуклеотиды, в которых основанием является урацил, вводили в бесклеточную среду, полученную из кишечной палочки. В ре­зультате был получен полипептид, состоящий только из фенил-аланина — полифенилаланин. Кодон для фенилаланина был рас­шифрован как УУУ.

К расшифровке генетического кода активно подключился С. Очоа с сотр. В течение 3—4 лет в лабораториях М. Ниренбер-га и С. Очоа был определен состав большинства кодонов. Одна­ко требовалось определить последовательность нуклеотидов в ко-донах. Это удалось сделать при помощи двух методов. Г. Корана с сотр. разработал метод химического синтеза ДНК-подобных полимеров с заданной последовательностью нуклеотидов, что

позволяло получить РНК также с заранее известной последова­тельностью нуклеотидов и использовать ее в бесклеточной систе­ме белкового синтеза. Второй метод предложили М. Ниренберг и П. Ледер, исходя из того, что промежуточными продуктами при синтезе белка являются аминокислоты, связанные с тРНК. Убе­дившись в том, что одного триплета иРНК (трех нуклеотидов) достаточно для связывания с рибосомой и тРНК, ученые исполь­зовали тринуклеотидные матрицы с известным чередованием ос­нований для того, чтобы изучить, какую аминокислоту доставит тРНК.

В результате использования методов, разработанных Г. Кора-ной, М. Ниренбергом и П. Ледером, к 196о г. были определены все триплеты, кодирующие ту или иную аминокислоту. Триплет иРНК получил название кодона. Генетический код был полнос­тью расшифрован (табл. 8), значит, была выяснена природа связи между структурой гена и соответствующего белка. Было установлено, что 61 триплет кодирует аминокислоты, 3 триплета не соответствуют никакой аминокислоте и определяют конец трансляции. .

Выявлены следующие особенности генетического кода: 1) ге­нетический код триплетный (каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами); 2) неперекрывающийся (соседние триплеты не имеют общих нуклеотидов); 3) вырожденный (за исключением метионина и триптофана все аминокислоты имеют более одного кодона); 4) универсальный (в основном одинаков для всех живых организмов); 5) в кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида, как правило, одинаковы, а третий варьирует; 6) имеет линейный порядок считывания и характеризуется колине-арностью, т. е. совпадением порядка расположения кодонов в иРНК с порядком расположения аминокислот в синтезирующей­ся полипептидной цепи.

Сравнительно недавно выяснилось, что в митохондриях нару­шается универсальность генетического кода. Четыре кодона в митохондриях изменили свой смысл: кодон УГА отвечает трип­тофану, АУА — метионину, а кодоны АГА и АГГ стали термини­рующими. В митохондриях синтезируется небольшое количество белков, которые используются ими же. Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал, что он не сразу стал таким, каким мы его знаем теперь.

СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ

В настоящее время можно считать установленным, что на­следственность реализуется в процессе биосинтеза белка. Синтез ферментов и других белков, необходимых для жизнедеятельности и развития организмов, происходит в основном на первой стадии

интерфазы, до начала репликации ДНК. В процессе синтеза белка различают этапы транскрипции и трансляции.

Транскрипция заключается в том, что наследственная информация, записанная в ДНК (гене), точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность иРНК. Синтез иРНК начинается с участка инициации транскрипции, называемого промотором. Промотор расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов. У вирусов и бактерий этот участок включает около 10 нуклеотидов (один виток спирали). Транскрипция осуществляется с помощью ферментов РНК-полимераз. РНК-полимераза прочно связывается с промотором и €расплавляет» его, разъединяя нуклеотиды комплементарных /цепей. Затем этот фермент начинает двигаться вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной из них, которая являет- ся смысловой, ведет синтез иРНК, согласно принципу компле-ментарности присоединяя аденин к тимину, урацил к аденину, цитозин к гуанину и гуанин к цитозину. Те участки гена, на которых полимераза образовала иРНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула иРНК постепенно отделяется от ДНК. Конец синтеза иРНК определяется участком остановки транс­крипции — терминатором. Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, ре­гулирующими активность РНК-полимеразы.

В 1977 г. было обнаружено, что у эукариот в последователь-■ ности нуклеотидов ДНК имеются отрезки, не содержащие ин­формации, которые были названы интронами. Участки ДНК, несущие информацию, называются экзонами.

При считывании информации с определенного участка ДНК (гена) сначала образуется транскрипт всей последовательности (про-мРНК), а затем происходит процесс созревания иРНК, на­зываемый процессингом. При процессинге происходит сплайсинг, который заключается в том, что в ядре интроны из РНК как бы «выпетливаются» и удаляются, а информативные участки — экзо- ны соединяются при помощи ферментов лигаз в одну непрерыв- ную последовательность иРНК. Перед выходом из ядра к началь- ной части иРНК (5'-концу) присоединяется остаток метилиро- ванного гуанина, называемый «колпачком», а к концу иРНК (З'-концу) присоединяется примерно 200 остатков адениловой кислоты. В таком виде зрелая иРНК (матричная РНК) проходит через ядерную мембрану в цитоплазму, где соединяется с рибо- сомой. Считают, что у эукариот «колпачок» иРНК играет роль в связывании с малой субчастицей.

Трансляция заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в иРНК переводится в строго упоря- доченную последовательность расположения аминокислот в мо- лекуле синтезируемого белка. Процесс трансляции включает два

этапа: активирование аминокислот и непосредственно синтез белковой молекулы.

Активирование свободных аминокислот и присоединение их к тРНК осуществляются при помощи ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз. Точность процесса трансляции зависит, по-видимому, в значительной мере от того, с какой точностью каждая синтета-за выберет одну определенную аминокислоту и присоединит ее к соответствующей тРНК. Считается, что в молекуле каждой ами-ноацил-тРНК-синтетазы имеется по крайней мере три дентра связывания: для аминокислоты, тРНК и АТф. Сначала осущест­вляется связь аминоацил-тРНК-синтетазы с определенной чами-нокислотой, а затем активированная аминокислота присоединя­ется к акцепторному участку (ЦЦА) транспортной РНК. В ре­зультате образуется аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Нагруженная аминокислотой тРНК взаимодействует с одним из белковых факторов, который в комплексе с ГТФ необходим для транспор­та тРНК к рибосоме и связывания с ней.

В период трансляции происходит реализация генетической информации в процессе синтеза белковой молекулы определен­ной структуры. Синтез подразделяется на три стадии: инициа­ции, элонгации и терминации.

Инициация. ЕМпериод стадии инициации рибосома сначала представлена двумя отдельными субчастицами, так как для нача­ла процесса необходима рибосома диссоциированная.

Инициация синтеза полипептидной цепи начинается с присо­единения малой субчастицы рибосомы к соответствующему цент­ру связывания на иРНК. Сигналом инициации трансляции слу­жит кодон для метиоккна АУТ, который расположен в начале иРНК (рис. 21). К кодону АУТ своим антикодоном УАЦ присо­единяется тРНК, нагруженная аминокислотой метионином (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит фор-милметионин). Затем к комплексу, состоящему из малой субъеди­ницы, иРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица ри­босомы. В результате образуется полностью собранная рибосома (80S), включающая одну молекулу иРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В большой субъединице имеется аминоацильный и пептидильный центры. Сначала первая аминокислота (метио-нин) попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большой субчастицы рибосомы иРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пепти­дильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон иРНК, который может принять следующую аминоацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции.

Элонгация. В эту стадию многократно повторяется цикл при­соединения аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоацильный центр рибосомы строго в соответствии с кодо-ном иРНК поступает вторая нагруженная тРНК, которая своим

Рис. 21. Схема синтеза, белка в клетке:

вверху — инициация; внизу — элонгация

антикодоном соединяется с комплементарным кодоном иРНК. Сразу же при помощи фермента пептидилтрансферазы предше­ствующая аминокислота (метионин) своей карбоксильной груп­пой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH2) вновь пришед­шей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (—СО— NH—). В результате тРНК, принесшая метионин, осво­бождается, а в аминоацильном центре к тРНК присоединен уже дипептид. Для дальнейшего процесса элонгации требуется осво­бодить аминоацильный центр. И он освобождается.

В результате процесса транслокации дипептидил-тРНК про­двигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это про­исходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон иРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. В освободившийся аминоацильный центр следующая тРНК приносит аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пеп­тидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома снова продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется. Полипептидный синтез в рибосоме идет до тех пор, пока в аминоацильный центр не поступит терминирующий кодон.

Терминация. После того как в аминоацильный центр рибосо­мы поступит терминирующий кодон иРНК (УАА, УАГ или УГА), к нему присоединяется один из белковых факторов терминации и блокируется дальнейшая элонгация цепи. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и рибосомы, освобождаются тРНК и иРНК. Рибосомные субъединицы диссоциируют и могут принять учас­тие в синтезе следующей полипептидной цепи.

На одной молекуле иРНК работает не одна рибосома, а мно­гие (до 100). На каждой из рибосом строится полипептидная цепь. У бактерий транскрипция и трансляция связаны между собой и трансляция начинается до завершения синтеза иРНК на ДНК. Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают посттрансляционные преобразования и в конеч­ном итоге выполняют специфические функции, принимая учас­тие в определении признаков организма.

Ингибиторы синтеза белка. В последние годы был выявлен целый ряд ингибиторов, вызывающих нарушение реализации ге­нетической информации у микроорганизмов. Примером могут служить антибиотики. Одним из мощных ингибиторов является пуромицин. Он имеет структурное сходство с концевым остат­ком адей$шовой кислоты в аминоацил-тРНК, легко взаимодейст­вует с А-участком пептидил-тРНК с образованием пептидилпу-ромицина. Пептидилпуромицин нарушает элонгацию, вызывая обрыв реакции. Предполагается, что стрептомицин и неомицин вызывают ошибки в трансляции иРНК, приводящие к наруше­нию соответствия между кодонами и включаемыми аминокисло­тами. Например, кодон УУУ вместо фенилаланина начинает ко­дировать лейцин, в результате образуется аномальный белок, что ведет к гибели бактерий. Тетрациклины являются ингибиторами синтеза белка в 708-рибосоме. Считается, что тетрациклины тор­мозят связывание аминоацил-тРНК с аминоацильным центром рибосом. Синтез клеточной иРНК тормозит антибиотик рифа-мицин, используемый при лечении туберкулеза. Этот препарат тормозяще действует на ДНК-зависимую РНК-полимеразу путем связывания с ней. Наиболее чувствительна к нему бактериальная РНК-полимераза. Недавно обнаружено и противовирусное дей­ствие рифамицина. Его используют при лечении трахомы, кото­рая вызывается ДНК-содержащим вирусом. Известно ингиби-рующее действие на синтез белка у микроорганизмов и целого ряда других антибиотиков.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит биологическая роль нуклеиновых кислот?

2. Как была доказана роль ДНК в наследственности?

3. Как построена ДНК?

4. Каким образом происходит репликация ДНК?

5. Каковы различия молекул иРНК, рРНК, тРНК?

6. Что такое транскрипция?

7. Что означает термин «трансляция»?

8. Как осуществляется синтез полипептида в рибосомах?