Биохимия человека Том 2 - Марри Р. 1993

Структура, функция и репликация информационных макромолекул
Синтез белка и генетический код
Кодоны и синтез белка

В нуклеотидной последовательности молекулы мРНК представлены кодоны для каждой аминокислоты. В роли адапторов, транслирующих последовательность кодонов в аминокислотную последовательность белка, выступают молекулы транспортных РНК (тРНК). Внутриклеточный компонент, в котором сходятся и взаимодействуют все элементы механизма трансляции белка, называется рибосомой. Множество рибосом могут одновременно транслировать одну и ту же цепь мРНК, образуя так называемые полирибосомы (полисомы). Шероховатый эндоплазматический ретикулум — это компартмент клетки, в котором мембраносвязанные полисомы продуцируют как мембранные белки, так и белки, подлежащие экскреции и транспорту. Полирибосомные структуры присутствуют и в свободной форме — в цитоплазме, где они синтезируют внутриклеточные белки.

Для синтеза клеточных белков необходимо 20 аминокислот. Следовательно, должно быть по крайней мере 20 различных кодонов, составляющих генетический код. Так как мРНК состоит из нуклеотидов только четырех типов, каждый кодон должен состоять из более чем одного нуклеотида. Кодоны, состоящие из двух нуклеотидов, могли бы обеспечить только 16 (4²) различных кодонных вариантов, в то время как кодоны, состоящие из трех нуклеотидов, — 64 (4³) варианта.

Из результатов серии исследований, начатых Маттэи и Ниренбергом, мы знаем, что каждый кодон состоит из трех нуклеотидов, иными словами код является триплетным. Расшифровка генетического кода была произведена в основном в лаборатории Ниренберга. Успех этих работ в огромной степени определялся результатами исследований Кораны, который занимался синтезом нуклеотидных полимеров, в том числе с триплетной структурой.

Три из 64 кодонов не кодируют каких-либо аминокислот. Они были названы нонсенс (nonsense)-кодонами. По крайней мере два из них выполняют функцию сигналов терминации. Они определяют, где должен остановиться синтез полипептидной цепи. Функциональное значение остальных триплетов — кодирование 20 аминокислот. Важнейшее свойство генетического кода — его «вырожденность». Это означает, что несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту. Анализ таблицы генетического кода (табл. 40.1) приводит к выводу о том, что все 64 кодона можно подразделить на 16 семейств. В одно семейство объединены кодоны, имеющие одинаковые нуклеиновые основания в первом и втором положениях. В таблице каждое семейство занимает одну вертикальную колонку между горизонтальными линиями. Например, кодон CCN, где N может быть U, С, А или G, определяет семейство во второй колонке, расположенной между первой и второй горизонтальными разделительными линиями. В некоторых семействах все 4 кодона кодируют одну и ту же аминокислоту, как в случае вышеупомянутого СС-семейства. Такие семейства называют несмешанными. Восемь семейств из 16 являются несмешанными.

Таблица 40.1. Генетический код (смысловое значение кодонов в матричной РНК)¹⁾

¹⁾ Термины первый, второй, третий относятся к положению данного нуклеотида в триплетном кодоне: U — уридиновый нуклеотид; С — цитозиновый нуклеотид; А — адениновый нуклеотид; G — гуаниновый нуклеотид. Кодон метионина — AUG — выступает в роли инициирующего кодона; Term — терминирующий кодон (трехбуквенные обозначения аминокислот расшифрованы в гл. 3).

²⁾ В митохондриях млекопитающих AUA кодирует Met, UGA — Trp, a AGA и AGG выполняют функцию терминаторов.

Семейства, кодирующие более одной аминокислоты, называются смешанными. В 6 смешанных семействах кодоны с пиримидиновым нуклеотидом в третьем положении кодируют одну аминокислоту, а кодоны с концевым пурином — другую аминокислоту или сигнал терминации (табл. 40.1). Два оставшихся семейства — UG-семейство и AU-семейство — не относятся ни к одному из названных типов и являются в этом смысле уникальными. Таким образом, с точки зрения специфичности включения определенной аминокислоты третий нуклеотид в кодонах оказывается, как правило, менее важен, чем первые два. В этом и реализуется вышеупомянутая вырожденность кода. В то же время каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. В этом смысле генетический код является строго однозначным. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие этих двух важнейших свойств — вырожденности и однозначности, — одновременно присущих генетическому коду.

Однозначность при одновременной вырожденности кода можно легко пояснить на молекулярном уровне. Узнавание определенного кодона в составе мРНК молекулой тРНК определяется способностью образовывать комплементарные пары оснований между кодоном и антикодоном. Каждая молекула тРНК содержит участок, комплементарный кодону и называемый антикодоном. Для данного кодона существует только один вид молекул тРНК, содержащих соответствующий антикодон. Так как каждая молекула тРНК способна нести только одну строго определенную аминокислоту, то и каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота. Однако некоторые виды тРНК могут использовать один и тот же антикодон для узнавания более одного фиксированного кодона. Как следует из приведенного выше анализа семейств кодонов, антикодон может быть нечувствителен к третьему (3'-) нуклеотиду кодона — частично (смешанные семейства) или даже полностью (несмешанные семейства). Такую ослабленную строгость в узнавании третьего нуклеотида в кодоне имеют в виду, используя термин «качание». При этом по сигналу данного кодона происходит встраивание в белковую цепь только одной определенной аминокислоты, хотя каждая аминокислота может кодироваться и более чем одним определенным кодоном.

Как будет показано ниже, процесс считывания генетического кода при синтезе белка не допускает возможности перекрывания кодонов. Следовательно, генетический код — неперекрывающийся. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих непосредственно друг за другом нуклеотидных триплетов идет далее без каких-либо пропусков вплоть до достижения нонсенс-кодона. В этом смысле говорят, что генетический код не содержит знаков пунктуации. До последнего времени генетический код считался абсолютно универсальным. Теперь стало известно, что набор тРНК в митохондриях клеток как низших, так и высших эукариотических организмов, считывает 4 кодона иначе, чем тРНК-молекулы цитоплазмы этих же или любых других клеток. Как видно из табл. 40.1, в митохондриях млекопитающих кодон AUA считывается, как Met, a UGA кодирует Тгр. Эти два кодона принадлежат к семействам UG и AU, которые были отмечены нами выше как уникальные. Возможно, с целью уменьшения числа тРНК-молекул, необходимых для трансляции генетического кода, в митохондриях произошла конверсия UG-и UA-семейств до семейств простого смешанного типа. Кроме того, кодоны AGA и AGG используются не как аргининовые, а как стопкодоны, т. е. как сигналы терминации трансляции. В результате митохондрии необходимо только 22 вида тРНК, в то время как для синтеза белка в цитоплазме используется весь набор, включающий 31 вид тРНК-молекул. И все же, за вышеупомянутым исключением, генетический код — универсален. Частота использования каждого кодона варьирует от вида к виду и даже от ткани к ткани для одного и того же вида. Таблицы частот использования кодонов постоянно подвергаются уточнению по мере определения нуклеотидной последовательности все большего числа генов. Это очень важно, поскольку часто исследователям приходится прогнозировать последовательность мРНК по имеющейся аминокислотной последовательности белка или его фрагмента с целью синтеза олигонуклеотидного зонда для клонирования данного гена.