Генетический код и его свойства

Как уже отмечалось, все многообразие свойств белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных в процессе эволюции уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью нуклеотидов, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в ДНК являются кодом, несущим информацию о структуре белка, или генетическим кодом.

Генетический код – это свойственная живым организмам единая система записи генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.

Генетический код разных организмов обладает некоторыми общими свойствами:

1) Триплетность. Для записи любой, в том числе и наследственной информации используется определенный шифр, элементом которого является буква, или символ. Совокупность таких символов составляет алфавит. Отдельные сообщения записываются комбинацией символов, которые называются кодовыми группами, или кодонами. Известен алфавит, состоящий всего из двух символов, - это азбука Морзе. В ДНК 4 буквы – первые буквы названий азотистых оснований (А, Г, Т, Ц), значит, генетический алфавит состоит всего из 4 символов. Что же является кодовой группой, или, словом генетического кода? Известно 20 основных аминокислот, содержание которых должно быть записано генетическим кодом, т. е. 4 буквы должны дать 20 кодовых слов. Допустим, слово состоит из одного символа, тогда мы получим только 4 кодовые группы. Если же слово состоит из двух символов, то таких групп будет только 16, а этого явно мало, чтобы закодировать 20 аминокислот. Следовательно, в кодовом слове должно быть минимум 3 нуклеотида, что даст 64 (4³) сочетания. Такого количества триплетных сочетаний вполне достаточно для кодирования всех аминокислот. Таким образом, кодон генетического кода – это триплет нуклеотидов.

2) Вырожденность (избыточность) – свойство генетического кода состоящее с одной стороны, в том, что он содержит избыточные триплеты, т. е. синонимы, а с другой – «бессмысленные» триплеты. Поскольку код включает 64 сочетания, а кодируются только 20 аминокислот, то некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами (аргинин, серин, лейцин – шестью; валин, пролин, аланин, глицин, треонин – четырьмя; изолейцин – тремя; фенилаланин, тирозин, гистидин, лизин, аспарагин, глутамин, цистеин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты – двумя; метионин и триптофан – одним триплетом). Некоторые кодовые группы (УАА, УАГ, УГА) вообще не несут смысловой нагрузки, т. е. являются «бессмысленными» триплетами. «Бессмысленные», или nonsense, кодоны выполняют функцию терминаторов цепей – знаков препинания в генетическом тексте – служат сигналом окончания синтеза белковой цепи. Такая избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации.

3) Неперекрываемость. Кодовые триплеты никогда не перекрываются, т. е. всегда транслируются вместе. При считывании информации с молекулы ДНК невозможно использование азотистого основания одного триплета в комбинации с основаниями другого триплета.

4) Однозначность. Нет случаев, когда один и тот же триплет соответствовал бы более чем одной кислоте.

5) Отсутствие разделительных знаков внутри гена. Генетический код считывается с определенного места без запятых.

6) Универсальность. У различных видов живых организмов (вирусов, бактерий, растений, грибов и животных) одинаковые триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

7) Видовая специфичность. Количество и последовательность азотистых оснований в цепи ДНК у разных организмов различные.

Биосинтез белка.

Биосинтез белка – это процесс реализации генетической информации. В клетках любого организма существует единая белок-синтезирующая система, в которую входят нуклеиновые кислоты ДНК, т-РНК, и-РНК. Для того чтобы белок синтезировался генетическая информация о последовательности нуклеотидов должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию

Транскрипция – это процесс матричного синтеза, заключающийся в переносе генетической информации с двухцепочечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. Транскрипция представляет собой ферментативный процесс, который у эукариот катализируется тремя типами РНК-полимераз: РНК-полимераза I – отвечает за синтез р-РНК; РНК-полимераза II - участвует в синтезе и-РНК; РНК-полимераза III - контролирует синтез т-РНК. Синтез самих РНК-полимерах контролируется хромосомными генами.

Транскрипция никогда не начинается и не заканчивается в любом месте ДНК-матрицы. На ДНК имеются специфические стартовые точки, которым молекулы фермента присоединяются, и специфические конечные участки, где они освобождаются. РНК-полимераза выбирает также цепь ДНК, которую она должна копировать.

Область, к которой присоединяется РНК-полимераза, называется промотором. У эукариот стартовой точкой является аденин, по обе стороны от которого располагаются пиримидины:

ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-А-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ-ТЦ.

Для того чтобы фермент узнавал стартовые точки, должна сохраняться двуцепочечная структура ДНК, так как на одиночной цепи РНК-полимераза может ошибиться в выборе стартовой точки и начать транскрипцию любого участка. После выбора стартовой точки на двойной спирали ДНК РНК-полимераза разъединяет её на отдельные участки, присоединяется к одной из них и использует её в качестве матрицы для транскрипции.

Транскрипция, как и любая реакция матричного синтеза, протекает в три стадии.

Инициация – распознавание РНК-полимеразой промотора и сборка первых 8 рибонуклеотидов.

Элонгация – дальнейший рост цепи за счет присоединения рибонуклеотидов.

Терминация – завершение процесса транскрипции и прекращение роста цепи РНК на специфическом участке ДНК – терминаторе. Он представлен группой последовательностей А-Т, в начале которой располагаются пары Г-Ц, образующие палиндром – участок ДНК, на котором в «+» и «-» цепях в разных направлениях читается одна и та же последовательность азотистых оснований:

5’ – ЦЦА ТГГ - 3’

3’ – ГГТ АЦЦ – 5’.

Достигнув палиндрома, РНК-полимераза прекращает работу.

И-РНК синтезируется в виде предшественника – гетероядерной РНК (гя-РНК), которая, как и ген, имеет интрон-экзонную структуру. Это означает, что гя-РНК разделена на информативные участки – экзоны и участки, не несущие наследственной информации – интроны. Последние располагаются между экзонами таким образом, что генетическая информация записывается прерывистой фразой. Чтобы стать функционально активной гя-РНК должна «созреть», т. е. пройти посттранскрипционный процессинг. При этом из нее последовательно удаляются интроны, затем «сшиваются» (сплайсинг) экзоны (рис. 3). Зрелая и-РНК составляет примерно 1/10 часть от первоначального транскрипта. Порядок расположения в ней триплетов и расстояния между ними совпадает с таковым аминокислот в полипептидной цепи. Далее в сопровождении белков-переносчиков зрелая и-РНК через поры в ядерной мембране поступает в цитоплазму для трансляции.

Трансляция – это процесс своеобразного перевода кодовой последовательности нуклеотидов в реальную первичную структуру полипептида. Центральная роль в нем принадлежит рибосомам – так называемым читающим машинам, которые у эукариот состоят из двух субъединиц – 40S и 60S (S –единица Сведберга; означает скорость седиментации, т. е. осаждения частиц в центрифуге), построенных из белка и РНК. Рибосомы выполняют две важные функции: обеспечивают точное считывание молекул и-РНК, увеличивают эффективность и скорость синтеза полипептида.

Трансляция является матричным синтезом, причем роль матрицы выполняет и-РНК. Процесс протекает по трем классическим стадиям, которым предшествует этап активации аминокислот, поскольку свободные аминокислоты рибосомой не используются.

Инициация – присоединение малой субъединицы к соответствующему центру на и-РНК, который включает в себя метиониновый кодон (старт-кодон) АУГ, поэтому синтез полипептида у экариот всегда начинается с метионина.

Элонгация – многократное повторение цикла ковалентного присоединения аминокислот к растущей цепи.

Терминация – прекращение роста полипептидной цепи стоп-кодонами: УАГ, УАА, УГА.

Биосинтез полипептидной цепи на рибосоме проходит ряд этапов и осуществляется следующим образом.

Этап 1. Активация аминокислот. Активацию аминокислот осуществляют ферменты аминоацил- тРНК-синтетазы. Эти ферменты специфичны по отношению к аминокислотам, т. е. для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза (рис. 4).

Механизм активации аминокислоты: фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат:

АМФ

Аминоацил-тРНК-синтетаза + АТФ + аминокислота = аминоацил-тРНК-синтетаза +

Аминокислота

+ пирофосфат.

В результате образуется тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АМФ – тройной комплекс.

Этап 2. Присоединение к активированной аминокислоте т-РНК. Присоединение активированной аминокислоты происходит за счет эфирной связи между карбоксильной группой аминокислоты и гидроксильной группой рибозы:

Аминоацил- АМФ

тРНК- + т-РНК = аминокислота – т-РНК + аминоацил-тРНК-синтетаза.

синтетаза аминокислота

Строгая специфичность в отношении выбора аминокислоты соответствующей молекулой т-РНК осуществляется за счет взаимодействия аминоацил-тРНК-синтетазы с аминокислотой, с одной стороны, и т-РНК - с другой. Это явление называется двойной специфичностью, т. е. фермент одновременно специфичен и в отношении т-РНК, и в отношении аминокислоты. Молекулы т-РНК, присоединяющие к себе различные аминокислоты, имеют различные последовательности оснований, благодаря чему синтетазы легко узнают их.

Этап 3. Синтез полипептидной цепи в рибосомной системе. Непосредственно синтез полипептидной цепи в рибосомной системе начинается с малой субъединицы с и-РНК. Затем к этому комплексу присоединяется амионацил-тРНК и далее – большая субъединица рибосомы, после чего весь рибосомный комплекс начинает перемещаться в направлении 3’-конца молекулы и-РНК. При этом аминоацильный участок рибосомы (рис. 5) находится впереди, а пептидильный – сзади. В процессе движения комплексы аминоацил-тРНК с антикодоном, комплементарным кодону и-РНК, кодирующему какую-нибудь аминокислоту, поступают в аминоацильный участок рибосомы. Здесь происходит образование пептидной связи между принесенной аминокислотой, входящей в комплекс аминоацил-тРНК, и свободным концом вновь синтезируемой цепи полипептида. После образования пептидной связи т-РНК перемещается в пептидильный участок рибосомы. Одновременно с этим рибосома целиком передвигается в направлении следующего кодона и-РНК, который кодирует местоположение следующей аминокислоты в полипептидной цепи. Молекула т-РНК, которая находится в пептидильном участке рибосомы, отщепляется от него и переходит в цитоплазму, где присоединяет новую аминокислоту. Одновременно к аминоацильному участку присоединяется следующий комплекс аминоацил-тРНК. Соединение аминокислот в полипептидную цепь осуществляется в месте выхода каналоподобной структуры в зазор между большой и малой субъединицами рибосомы так, что синтезируемый полипептид располагается в этой каналоподобной структуре. По завершении синтеза через пору в мембране эндоплазматической сети полипептид поступает в ее внутреннее пространство для формирования окончательной структуры и транспорта белка по месту назначения.

Важным моментом в процессе биосинтеза белка является идентификация – установление совпадения кодона и-РНК с антикодоном т-РНК. Идентификация происходит вследствие комплементарности трех нуклеотидов и-РНК трем нуклеотидам т-РНК, расположенным на выступающей части петли нити т-РНК. Идентификация триплетов т-РНК является необходимым условием биосинтеза полипептидной цепи.

Процесс синтеза белка – ферментативный процесс, представленный серией ферментативных реакций с участием АТФ, которая является источником энергии. Ферментативный механизм построения полипептидной цепи обеспечивает специфичность взаимодействия всех звеньев пути синтеза белка.

Поиск по сайту: