Вырожденность и однозначность

В случае 64 комбинаций возникает вопрос, все ли комбинации кодируют аминокислоты или каждой аминокислоте соответствует только один триплет нуклеотидов. Во втором случае большая часть триплетов была бы бессмысленной, а замены нуклеотидов в результате мутаций в двух третях случаев приводили бы к потере белка. Это не соответствует наблюдаемым частотам потери белка при мутациях, что указывает на использование всех или почти всех триплетов. В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислот. Они служат для того, чтобы обозначать конец полипептидной цепочки. Их называют стоп-кодонами. 61 триплет кодирует различные аминокислоты, т. е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью. Вырожденность имеет место только в направлении от аминокислот к нуклеотидам, в обратном направлении код однозначен, т.е. каждый триплет кодирует одну определённую аминокислоту.

Знаки препинания

Важный вопрос, решить который теоретически оказалось невозможным, каким образом триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, отделяются друг от друга, т. е. есть ли в генетическом тексте знаки препинания.

Отсутствие запятых — эксперименты

 

Неперекрываемость

Гамов предположил, что код перекрывающийся, т. е. первый, второй и третий нуклеотиды кодируют первую аминокислоту, второй, третий и четвёртый — вторую аминокислоту, третий, четвёртый и пятый — третью и т. д. Такая гипотеза создавала видимость решения пространственных затруднений, но создавала другую проблему. При таком кодировании за данной аминокислотой не могла идти любая другая, так как в кодирующем её триплете два первых нуклеотида уже были определены, и число возможных триплетов снижалось до четырёх. Анализ последовательностей аминокислот в белках показал, что встречаются все возможные пары соседних аминокислот, т. е. код должен быть неперекрывающимся.

Универсальность

Еще одним свойством генетического кода, постулированным из теоретических соображений, является его универсальность. Предполагалось, что все виды живых организмов произошли в результате эволюции от одного общего предка, поэтому они имеют одинаковый генетический код. Это положение подтвердилось дальнейшими исследованиями. Оно имеет большое практическое значение, т. к. благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки. Это позволяет с помощью методов генетической инженерии получать в бактериях белки человека, нужные для медицинских целей, например, инсулин или гормон роста. Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной. Известно несколько генетических систем, в которых генетический код немного отличается от универсального. Прежде всего это митохондрии. Кроме того, отклонения от универсального генетического кода найдены у некоторых инфузорий и паразитических бактерий. Однако во всех этих случаях отклонения незначительны и, очевидно, возникли вторично на основе универсального кода.

Расшифровка кода

Когда основные свойства генетического кода были изучены, начались работы по его расшифровке и были определены значения всех триплетов (см. рис.). Триплет, кодирующий определённую аминокислоту, получил название кодона. Как правило, указываются кодоны в мРНК, иногда — в смысловой цепи ДНК (те же кодоны, но с заменой У на Т). Для некоторых аминокислот, например, метионина, существует только один кодон. Другие имеют по два кодона (фенилаланин, тирозин). Есть аминокислоты, которые кодируются тремя, четырьмя и даже шестью кодонами. Кодоны одной аминокислоты похожи друг на друга и, как правило, отличаются одним последним нуклеотидом. Это делает генетический код более устойчивым, так как замена последнего нуклеотида в кодоне при мутациях не ведёт к замене аминокислоты в белке. Знание генетического кода позволяет нам, зная последовательность нуклеотидов в гене, выводить последовательность аминокислот в белке, что широко используется в современных исследованиях.

Трансляция, или биосинтез белка, является неотъемлемой частью жизнедеятельности любой живой клетки. При нарушении биосинтеза белка клетка рано или поздно погибает. Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков. Последовательность аминокислот в каждом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене — участке ДНК, кодирующем именно этот белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК и иРНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом (см. тему «Генетический код»). Информация о последовательности аминокислот в белке в процессе транскрипции «переписывается» с ДНК на иРНК, комплементарную одной из цепей ДНК, затем эта иРНК взаимодействует с рибосомами и направляет синтез нужного белка.

Процесс биосинтеза белка можно подразделить на несколько стадий:

1. Активация аминокислот, или предварительный этап, или рекогниция.
2. Инициация.
3. Элонгация.
4. Терминация.

Структура транспортных РНК

Чтобы понять дальнейшие процессы, необходимо подробнее остановиться на структуре тРНК (см. рис.).

Рис. 1. тРНК.

В структуре транспортной РНК имеются 3 "шпильки" и стебелек. Они образуются в результате комплементарности соседних участков РНК. На вершине каждой "шпильки" расположена петля. В антикодоновой петле (петля 2 на рис. 1) расположены три нуклеотида, которые называются антикодоном.

Антикодон отвечает за правильную установку аминокислоты в полипептидной цепочке.
Информация о последовательности аминокислот в белке записана в виде последовательности кодонов в мРНК. Как же расположить нужные аминокислоты против кодонов мРНК? Ведь между нуклеотидами и аминокислотами нет никакой комплементарности. Именно тРНК играет роль адаптора между нуклеотидной последовательностью мРНК и последовательностью аминокислот в белке. Для этого тРНК комплементарно присоединяется к кодону мРНК своим антикодоном (см. рис. 2) в ходе трансляции. К концу тРНК предварительно прикрепляется соответствующая аминокислота. Затем она встраивается в растущую цепь белка.
Таким образом, антикодонкомплементарен кодону, кодирующему ту аминокислоту, которую несёт эта тРНК.

Рибосомы

Рибосомы — молекулярные машины биосинтеза белка. Они представляют собой сложный комплекс молекул рибосомальных РНК (рРНК) и белков. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей, называемых большой и малой субъединицами. Большая субъединица примерно в 2 раза больше малой.

Состав субъединиц рибосом

Субъединицы рибосомы способны разделяться и объединяться. В цитоплазме они присутствуют как отдельно, так и вместе. Для начала синтеза белка субъединицы должны быть разъединены. Отдельная малая субъединица связывает мРНК в начале трансляции и находит стартовый кодон. Затем присоединяется большая субъединица, и уже полная рибосома осуществляет биосинтез белка. Участок, ответсвенный за образование пептидной связи, расположен в большой субъединице.

АКТИВАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ, ИЛИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

Активация аминокислот происходит путем их присоединения к тРНК. Она происходит в цитоплазме, без всякой связи с рибосомами.
Реакцию активации аминокислот осуществляют специальные ферменты. Этих ферментов 20, по числу аминокислот. Каждый такой фермент специфически узнает определенную аминокислоту и соответствующую ей тРНК и связывает их, при этом расщепляется молекула АТФ. Образуется молекула аминоацил-тРНК, то есть тРНК с висящей на ее конце соответствующей аминокислотой.
Этот процесс является ключевым с точки зрения кодирования. Именно в этот момент устанавливается соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК, и если процесс активации аминокислот будет происходить неправильно, то во всех белках появятся ошибки (например, одна из аминокислот будет вставляться по "чужому" кодону, кодирующему другую аминокислоту).
В ходе этого процесса расщепляется АТФ, и образующаяся аминоацил-тРНК содержит энергию, обеспечивающую рост белковой цепи, поэтому данный процесс и называется активацией аминокислот.