Генетический код

Синтез белка в клетках эукариот

Лекция 6

Известно, что ДНК состоит из 4-х видов нуклеотидов (А, Г, Т, Ц). Математические расчеты показывают, что для кодирования одно аминокислоты требуется более одного нуклеодида, так как в белках обнаружено более 20 различных аминокислот.

Из 4-х по два возможно получить только 16 сочетаний, что меньше 20, поэтому генетический код триплетен. То есть из 4-х по три =64, этого количества достаточно для кодировки 20 аминокислот с избытком.

В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, то есть известно, какие конкретно триплетные сочетания нуклеотидов кодируют входящие в состав белка 20 аминокислот.

Оказалось, что каждая аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом, то есть генетический код вырожден. Так например, аминокислота фенилаланин может кодироваться как последовательностью УУУ, так и последовательностью УУЦ. Только две аминокислоты (триптофан и метионин) кодирутся одним триплетом. Нужно отметить, что термин «вырожденный» не означает неточный, так как один триплет не может кодировать две аминокислоты.

Существенным свойством генетического кода является отсутствие сигналов, отделяющих одно кодирующее слово от другого. Именно поэтому считывание информации должно начинаться с правильного места молекулы ДНК (РНК) и продолжаться последовательно от одного кодона к другому. Если происходит ошибка в начале считывания, то это влечет изменения во всех кодонах. Это подтверждается обнаружением мутаций, при которых из последовательности либо выпадает (делеция) либо встраивается в нее (вставка) один или два нуклеотида. При таких мутациях в результате сдвига рамки считывания синтезируется дефектный белок.

В том случае, если выпадает или встраивается три нуклеотида, то синтезируется белок, который отличается от нормального тем, что в нем отсутствует одна аминокислота (в случае делеции трех нуклеотидов) или появляется дополнительная аминокислота (в случае вставки трех нуклеотидов).

Следующая особенность генетического кода заключается в том, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а являются стоп-сигналами, которые означают конец синтеза полипептидной цепочки. Важной особенностью стоп-кодонов является то обстоятельство, что они не кодируют информацию об аминокислотах.

Генетический код универсален, то есть его триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, одинаковы у всех живых существ. Один и тот же триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту как у человека,, так и у бактерии или у растения.

Таким образом, генетический код (или язык) одинаков для всех видов живых существ.

Таблица генетического кода

О чем свидетельствует универсальность генетического кода?

- генетический код в процессе эволюции возник почти в том же виде, в котором он существует и сейчас. Вырожденность генетического кода затрагивает только третье основание кодона (так, например, аминокислота серин кодируется триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ).

Таким образом, кодирование аминокислоты определяется главным образом только двумя первыми нуклеиновыми основаниями. Это дает повод думать, что возможно первоначально генетический код был дуплетным и содержал информацию о 16 (или менее) аминокислотах.

Транскрибция

Главное предназначение хромосом клетки - служить матрицей для синтеза молекул РНК. Только в таком виде информация заключенная в генах может непосредственно использоваться клеткой.

Транскрибция идет в интерфазе более активно, чем редубликация хромосом - скорость включения нуклеотидов в молекулу РНК превышает приблизительно в 20 раз скорость включения нуклеотидов в молекулу ДНК в S - фазе.

Установлено, что в клетке эукариот синтезируется 3 разновидности молекул РНК-полимеразы. Только РНК-2-полимераза используется для транскрибции генов, которые потом транслируются в белки.

РНК-1-полимераза синтезирует большие рибосомные РНК, РНК-3-полимераза синтезирует разнообразные короткие РНК (в том числе и 5-S-РНК и транспортные РНК). Соотношение количества РНК 3 типов : на 40 000 молекул РНК-2-полимеразы приходится приблизительно столько же РНК-1-полимеразы и около 20 000 молекул РНК-3-полимеразы.

Механизм транскрибции

В молекулах ДНК транскрибируемый участок состоит из участка, ответственного за связывание с особым белковым комплексом (ТАТА-бокс), который разрешает начало транскрибции, сайта начала транскрибции и промотора, участка ДНК - отвечающего за прикрепление молекулы РНК-полимеразы. Затем идет структурный ген ( уникальная последовательность молекулы ДНК) на конце которого имеется фактор окончания транскрибции.

Когда ТАТА-фактор связывается с ТАТА-боксом, появляются условия для прикрепления молекулы РНК-полимеразы к молекуле ДНК и транскрибция начинается.

Такой комплекс из молекулы РНК-2-полимеразы, ТАТА-фактора и участка молекулы ДНК называется транскрибционной единицей.

По мере синтеза молекул иРНК=мРНК, в определенном месте транскрибт расщепляется и в него встраивается polyA-последовательность, состоящая из 100-200 остатков адениловой кислоты и вскоре транскрибция заканчивается. Такой продукт, сошедший с ДНК - называется первичным транскрибтом. Функция аденилового хвоста неясна, возможно, что он участвует в транспорте зрелой мРНК из ядра. На противоположном конце к молекуле мРНК присоединяется метилированный G-нуклеотид, который, как предполагается отвечает за связь молекулы мРНК с рибосомой.

Вновь образованные последовательности молекул иРНК=мРНК еще не готовы к трансляции и называются гетерогенной иРНК. Они намного длиннее (и все разной длины, в среднем 6 000 нуклеотидов), чем требуется, так как содержат "лишние нуклеотиды", которые вырезаются из них особыми ферментами и иРНК гетерогенного типа превращается в цитоплазматическую иРНК ( её длина около 1 500 нуклеотидов). Этот процесс называется сплайсинг.

В ходе сплайсинга из молекул гетерогенной иРНК вырезаются последовательности интронов ( это особые участки РНК,которые не несут полезной генетической информации), а остаются только участки, называемые Экзоны.

Вырезание интронов происходит в результате образования из этого участка петли, которая отсоединяется от концов двух экзонов и позже в ядре распадается.

У кишечной палочки молекула РНК-полимеразы состоит из 5 субъединиц, из которых сигма-субъединица отвечает за прикрепление к промотору и служит фактором инициации транскрибции. После образования транскрибционного комплекса сигма-субъединица отсоединяется, а вместо неё присоединяется новая молекула, отвечающая за элонгацию образующейся молекулы иРНК.

Схема процессинга пре-мРНК (гяРНК) в ядре

У прокариот многообразия РНК-полимераз не отмечено, отсутствует также и ТАТА-фактор.

Согласно общепринятой гипотезе, зрелые молекулы иРНК узнаются рецепторными белками (входящими в состав ядерных пор ).

Эти белки способствуют продвижению мРНК в цитоплазму путем активного переноса.