Принцип кодирования аминокислотных последовательностей

Модель кодона

Рис. 114. Модель кодона

Для развития организма и стабильности его клеток в первую очередь необходим непрерывный синтез белков, т. е. определенной последовательности аминокислот. Какой способ нашла природа для кодирования, т. е. для информационно значимой записи порядка следования аминокислот в белках? Путем тонких биохимических экспериментов на молекулярном уровне за последние десятилетия удалось выяснить, что последовательность синтеза белков зафиксирована в цепях ДНК (в некоторых случаях и РНК) в виде кодонов. Кодоном является тройка последовательно расположенных азотистых оснований (рис. 114).

Каждый отдельный белок кодируется своим геном, т. е. определенной последовательностью экзонов и ингронов. Сколько аминокислот в данном белке, столько и кодонов в экзоне (это информационная компонента). Между собой экзоны разделены нитронами - участками цепи ДНК, в которой нуклеотиды располагаются на первый взгляд беспорядочно. По современным представлениям, интроны выполняют служебную роль меток и участвуют в процессах «выбора» тех информационных участков генов (экзонов), которые должны в тот или иной момент транскрибироваться (быть инструкцией для синтеза белка в цитозоле клетки).

Дело в том, что, хотя почти все клетки организма содержат в своих хромосомах одну и ту же генетическую информацию, в разных клетках синтезируется только ограниченный, определенный специализацией клетки набор белков.

Как ни удивительно, но к подобному же принципу расположения информационных файлов или музыкальных программ пришли в технологии компакт-дисков. Выбором определенной команды па управление Вы можете активировать (считывать, прослушивать) интересующий Вас в данный момент фрагмент записи.

Таким образом, генетическая информация, содержащаяся в ДНК и РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в этих молекулах. Каким же образом ДНК кодирует (шифрует) первичную структуру белков? Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в ДНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называется генетическим, его расшифровка - одно из величайших достижений современного естествознания.

В состав ДНК входят по 4 нуклеотида. Если в алфавите жизни всего 4 буквы, то как из них строятся слова? Этот вопрос одним из первых поставил Г. А. Гамов. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать всего лишь 16 аминокислот, так как из 4 нуклеотидов можно составить только 16 различных комбинаций, в каждую из которых входит по 2 нуклеотида. Этого мало для 20 аминокислот, используемых в природе для синтеза белков. Г. А. Гамов сделал предположение, что в каждом слове должно быть три буквы. С помощью триплетного кода можно создать из 4 нуклеотидов 64 различные комбинации: 4 в степени 3 равно 64. Это уже заметно больше числа аминокислот.

Как быть? Считать, что слова нс обязательно состоят из трех букв? Или среди 64 слов есть синонимы? Г. А. Гамов остановился на второй возможности: некоторые слова (кодоны) могут обозначать одну и ту же аминокислоту. Экспериментальные исследования подтвердили его гипотезу- почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном. Например, аргинин, серин и лейцин могут кодироваться шестью вариантами кодонов. Тем нс менее, генетический код однозначен. Каждый триплет (кодон) шифрует только одну из аминокислот.

В генетическом коде существуют три специальные триплета: УГА, УАГ и УАА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза цепи белка.

Внутри гена не должно быть знаков препинания. Это очень важно. Например, мы можем легко прочитать и понять фразу, составленную триплетами обычных букв алфавита: «жил был кот тих был сер мил мне тог кот». Если убрать фиксированное начало, одну букву (или один нуклеотид в гене), то новые тройки букв (мы должны читать по тройным сочетаниям - кодонам) станут такими: «илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк» [12]. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГА А или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. Если второй нуклеотид в этих триплетах будет заменен на У, то в этом случае вместо глутаминовой кислоты будет встраиваться валин. Последствия будут тяжелыми - все эритроциты у такого человека будут иметь «испорченный» гемоглобин, что вызовет болезнь - серповидноклеточную анемию.

Одна их форм шизофрении (кататония) связана с заменой всего одной аминокислоты на другую в белке WKL. Его код содержится в одном из генов хромосомы 22 человека. Единственная «опечатка» в генетическом коде приводит к развитию тяжелого психического заболевания.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >