Запись генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот. Генетический код

Одно из основных положений современной молекулярной генетики связано с признанием роли нуклеиновых кислот как хранителей и переносчиков генетической информации, определяющей первичную структуру всех белков (полипептидов), синтезируемых в клетке. Многочисленные исследования структуры и функций молекул ДНК и РНК привели к пониманию способа записи этой информации (генетического кода). В соответствии с современными представлениями первичная генетическая информация всех живых организмов (за исключением РНК-содержащих вирусов) хранится и воспроизводится в структуре их молекул ДНК, будучи закодированной в форме специфического чередования четырех нуклеотидов, которые могут быть дифференцированы по содержанию соответствующего азотистого основания (А, Г, Т, Ц), в участках полинук- леотидной цепочки, имеющих ориентацию 3’—>5’.

Информация кодирующего участка нити ДНК переписывается (передается) на основе принципа комплементарности в линейную последовательность четырех нуклеотидов РНК (А, Г, У, Ц) с ориентацией 5'—>3' (код РНК) в процессе матричного синтеза молекулы РНК на одной из нитей ДНК и используется затем при синтезе соответствующего полипептида. Результатом является линейное соответствие аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида нуклеотидной последовательности участка нити ДНК, кодирующего этот полипептид, т. е. соблюдается принцип колинеарности полинуклеотида и кодируемого им полипептида.

Современные представления о принципах и структуре генетического кода получили убедительные экспериментальные обоснования в начале 1960-х гг., когда была разработана система искусственного (бесклеточного) синтеза белковых молекул in vitro с использованием в качестве матриц синтетических полирибонуклеотидов, имеющих заданное строение, а также рибосом и других необходимых компонентов, выделенных из бактериальных клеток. Проведенные эксперименты подтвердили более ранние предположения о том, что единица кодирования (кодон) представляет собой тройку нуклеотидов (триплет), которая определяет место соответствующей аминокислоты в полипептидной цепочке, т. е. генетический код является триплетным.

С помощью указанных методов удалось расшифровать структуру всех 64 триплетов матричной молекулы РНК (число теоретически возможных сочетаний по три из четырех разных нуклеотидов ДНК либо РНК составляет 43 - 64). Так, например, в первых биохимических экспериментах по изучению матричной активности синтезированных фрагментов РНК, состоящих только из нуклеотидов с урацилом (полиуридиловой кислоты), был обнаружен синтез полипептидных фрагментов, содержащих лишь одну аминокислоту (фенилаланин). Эти данные позволили сделать вывод, что триплет УУУ молекулы РНК (и соответствующий комплементарный триплет ААА в молекуле ДНК) является кодоном для фенилаланина. Аналогичным образом было расшифровано содержание и других кодонов РНК. Сведения о генетическом коде матричной РНК (мРНК) приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Генетический кол мРНК

Первый нуклеотид триплета (5'-конец)

Второй нуклеотид триплета

Третий нуклеотид триплета (3-конец)

А

Г

У

ц

А

Лиз

Apr

Иле

Тре

А

Лиз

Apr

Мет

Тре

Г

Аси

Сер

Иле

Тре

У

Аси

Сер

Иле

Тре

ц

Г

Глу

Гли

Вал

Ала

А

Глу

Гли

Вал

Ала

Г

Асп

Гли

Вал

Ала

У

Асп

Гли

Вал

Ала

U

У

Стоп

Стоп

Лей

Сер

А

Стоп

Три

Лей

Сер

Г

Тир

Цис

Фен

Сер

У

Тир

Цис

Фен

Сер

ц

Первый нуклеотид триплета (5'-конец)

Второй нуклеотид триплета

Третий нуклеотид триплета (3-конец)

А

Г

У

Ц

Глн

Apr

Лей

Про

А

Ц

Глн

Apr

Лей

Про

Г

Гис

Apr

Лей

Про

У

Гис

Apr

Лей

_

Про

Ц

Примечание: В таблице использованы следующие сокращения названий аминокислот: Ала - аланин, Apr аргинин, Асн - аспарагин, Асп - аспарагиновая кислота, Вал - валин, Гис - гистидин, Гли - глицин, Глн - глутамин, Глу - глутаминовая кислота, Иле - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, Про - пролин, Сер - серин, Тир - тирозин, Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис - цистеин.

Как видно из табл. 5.3, большинству из 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул, соответствует более чем один триплет, поэтому такой код стали обозначать термином «вырожденный», а различные триплеты для одной и той же аминокислоты называют триплетами-синонимами.

Наряду с 61 триплетом мРНК, содержащим информацию о той или иной аминокислоте, были обнаружены также три триплета (УАА, УАГ и УГА), которые не несут такой информации, но способны останавливать процесс считывания нуклеотидной последовательности во время синтеза полипептида. Эти триплеты были названы терминирующими, или «стошнгриплетами.

К числу других свойств генетического кода относятся также его неперекрываемость и непрерывность. Под неперекрываемостью кода понимают способность каждого нуклеотида мРНК входить в состав всего лишь одного информационного триплета. Непрерывность кода связана с тем, что между линейно расположенными триплетами, составляющими одну группу считывания информации в молекулах нуклеиновых кислот, т. е. кодирующими один полипептид, нет каких-либо физических интервалов, способных прервать процесс считывания.

Код является вырожденным, т. к. почти каждая аминокислота связана более чем с одним кодоном, которые определяют их расстановку в первичной структуре синтезируемой полипептидной цепи. Только две аминокислоты - метионин и триптофан - связаны с единичными кодонами - АУТ и УГТ соответственно. Расстановку каждой из трех аминокислот - аргинина, лейцина и серина - в первичной структуре полипептидной цепи определяют шесть кодонов (табл. 5.4).

Шесть колонов первичной структуры полипептида

Первая

Вторая буква

Третья

буква

(5’)

У

Ц

А

Г

буква

О’)

УУУ

Фенил-

УЦУ

УАУ

УГУ

У

УУЦ

аланин

УЦЦ

УАЦ

УГЦ

Цистеин

Ц

У

УУА

УЦА

Серин

УАА*

Тирозин

УГА*

А

УУГ

Лейцин

УЦГ

УАГ*

УГГ

Триптофан

Г

ЦУУ

ЦЦУ

ЦАУ

Г истидин

ЦГУ

У

Ц

ЦУЦ

Лейцин

ццц

Пролин

ЦАЦ

ЦГЦ

Аргинин

ц

ЦУА

ЦЦА

ЦАА

Глутамин

ЦГА

А

ЦУГ

ццг

ЦАГ

ЦГГ

Г

АУУ

Изолей-

цин

АДУ

ААУ

Аспарагин

АГУ

Серин

У

А

АУЦ

АЦЦ

Греонин

ААЦ

АГЦ

ц

АУА

АДА

ААА

Лизин

АГА

Аргинин

А

АУТ*

Метионин

АЦГ

ААГ

АГГ

Г

ГУУ

ГЦУ

ГАУ

Аспарагиновая

ГГУ

У

г

ГУЦ

Валин

гцц

Аланин

ГАЦ

кислота

ГГЦ

Глицин

ц

ГУА

ГЦА

ГАА

Глутаминовая

ГГА

А

. . f ~ t *

ГУГ

ГЦГ

ГАГ

кислота

ГГГ

Г

* Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, а служат сигналами терминации полипегпидных цепей и получили название нонсенс-кодонов (бессмысленных кодонов).

** Триплеты АУТ и ГУТ одновременно выполняют роль старт-кодонов (кодонов- инициаторов).

К числу особенностей генетического кода относится также его универсальность (он в основном одинаков для всех живых организмов). Однако обнаружены и исключения из этого правила. В 1981 г. было завершено определение полной нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК человека, содержащей 16 569 нуклеотидных пар. Полученные результаты свидетельствуют о том, что митохондриальные геномы высших и низших эукариот, кодирующие примерно один и тот же набор функций, характеризуются различиями в смысловом значении некоторых кодонов, правилах антикодон-кодонового узнавания и общей структурной организации. Так, оказалось, что в отличие от обычного универсального кода кодон АУА вместо изолейцина кодирует метионин, а триплеты АГА и АГГ являются не аргининовыми кодонами, а сигналами терминации трансляции; триптофан кодируется как триплетом УГГ, так и триплетом УГА, который обычно выполняет функцию терминаторного кодона.

В генетическом коде разные кодоны одной аминокислоты, т. е. кодоны-синонимы, почти всегда находятся в одном и том же квадрате и отличаются друг от друга по последнему из трех нуклеотиду (исключение составлякгг лишь кодоны аргинина, серина и лейцина, имеющих по шесть кодонов, которые не могут разместиться в одном квадрате, где помещаются всего четыре кодона).

Генетический код имеет линейный порядок считывания и характеризуется колинеарностью, т. е. совпадением порядка расположения кодонов в мРНК с порядком расположения аминокислот в синтезирующейся полипептид ной цепи.

Следует, однако, иметь в виду, что в процессе эволюции органического мира возникали, вероятно, и другие варианты генетического кода, которые как правило элиминировались благодаря действию стабилизирующего естественного отбора. Тем не менее до настоящего времени сохранился генетический код ДНК митохондрий, который имеет некоторые структурные отличия от универсального кода хромосомной ДНК различных организмов. Так, например, триплеты хромосомной ДНК: ГА А, ГАГ, ГАТ, ГАЦ - (и соответствующие триплеты мРНК) кодируют аминокислоту лейцин, тогда как в митохондриальной ДНК дрожжей эти же триплеты несут информацию об аминокислоте треонине.

Успехи в изучении генетического кода нуклеиновых кислот и связанного с ним процесса биосинтеза белков в клетке послужили основой для создания нового направления современной генетики, получившего название теории генетической информации. Справедливость установленных ранее принципов и структуры генетического кода находит дальнейшее практическое подтверждение при использовании современных технологий генетической инженерии, основная задача которой состоит в экспериментальном конструировании молекул ДНК и РНК, содержащих желательную для исследователя последовательность нуклеотидов, и в получении белковых продуктов, кодируемых такими молекулами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >