БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 6. ОБМІН І ФУНКЦІЇ АМІНОКИСЛОТ. БІОСИНТЕЗ БІЛКА

6.10.Біосинтез білка

6.10.2. Основні властивості генетичного коду

Синтез білка - це перехід від однієї системи інформації, а саме: нуклеотидна послідовність → чотирилітерна мова ДНК, до іншої: амінокислотна послідовність → двадцятилітерна мова амінокислот, які входять до складу білків. В основі передачі інформації лежить біологічний код - своєрідний словник для цього перекладу. Робочою основою коду є молекули мРНК, тому їхні нуклеотидні послідовності зображено в табл. 6.8, а в дужках позначено відповідні послідовності в комплементарному ланцюзі ДНК.

Таблиця 6.8

Генетичний код

Першим проблему генетичного коду сформулював російський фізик Г. Гамов (1954), який спрогнозував основні його структурні одиниці й теоретично відзначив, що кожній амінокислоті відповідає трилітерне "слово" в молекулі ДНК. Справді, абетка ДНК складається з чотирьох літер-нуклеотидів (А, Г, Т, Ц), які кодують 20 амінокислот. Однолітерний код може кодувати лише чотири амінокислоти, дволітерний (4²) = 16 амінокислот, що недостатньо, а чотирилітерний створив би словник із (4⁴) = 256 амінокислот - набагато більше за потреби. Роботами М. Нірен- берга і співавт. установлено, що для кодування всіх амінокислот білкової молекули необхідно не менше трьох послідовно розташованих нуклеотидів, які назвали кодонами (триплетами), у цьому випадку число комбінацій становить 64 (4³). Серією дослідів із використанням синтетичної поліуридилової кислоти, уведеної як мРНК до безклітинної білоксинтезуючої системи, М. Ніренберг і Х. Маттеї вперше отримали пептиди, що складалися виключно із залишків фенілаланіну. Застосувавши в подальших дослідженнях штучні полірибонуклеотиди певної будови, у лабораторіях М. Ніренберга, Г. Хорана та С. Очоа отримали дані про склад і властивості всіх триплетів, які відповідають 20 амінокислотам у молекулах білків. Було встановлено специфічність генетичного коду: триплет кодує лише одну амінокислоту. За видатні досягнення в галузі фізіології та медицини С. Очоа і А. Корнберг отримали Нобелівську премію в 1959 р.; М. Ніренберг, Г. Хорана та Р. Холлі - у 1968 р.

Код триплетний - одну амінокислоту кодує триплет нуклеотидів, без розділових знаків і не перекривається - ці ознаки було доведено завдяки ряду досліджень, серед яких найпереконливішими виявились експерименти Ф. Кріка і співавт. Вони вивчали мутації бактеріофагів під дією акридинового оранжевого: зіставлення кількості й місця розташування вставок або делецій нуклеотидів у молекулі ДНК за цих умов дало вагомі докази на користь означених характеристик коду. Указані властивості коду забезпечують синтез точної та високовпорядкованої послідовності амінокислотних залишків у молекулі білка.

Генетичний код є виродженим. Оскільки встановлено, що в молекулі ДНК кодуючим є 61 триплет, то існує можливість кодування однієї амінокислоти декількома триплетами. Цю властивість генетичного коду було названо виродженістю. Вона однонаправлена, тобто кожний триплет кодує лише одну амінокислоту; усі амінокислоти мають більш ніж один специфічний кодон, за винятком метіоніну та триптофану. Для однієї амінокислоти існують кілька специфічних тРНК (ізоакцепторні тРНК), тоді як одна молекула тРНК може розпізнавати більше одного кодона. Для триплетів, що кодують одну й ту ж саму амінокислоту, як видно з табл. 6.8, відмінності в нуклеотидах спостерігаються головним чином у третьому положенні кодона, у зв'язку з чим Ф. Кріком було сформульовано гіпотезу качання (Wooble-гіпотезу) про нестрогу відповідність при спарюванні між нуклеотидом у третьому положенні кодону мРНК і першому положенні антикодону тРНК. Наприклад, одна з аргінінових тРНК має антикодон 5Ч-Ц-Г-3', який може розпізнати три різні аргінінові кодони:

Згідно з гіпотезою "два з трьох», специфічність кожного кодо- ну визначається першими двома нуклеотидами, а третій - менш вагомий, тобто код є квазідуплетний або псевдодуплетний.

Виродженість коду неоднакова для різних амінокислот. Скажімо, код серину, лейцину й аргініну вироджений шестикратно, тирозину й гістидину - двократно. Вважається, що виродженість генетичного коду, з одного боку, підвищує стійкість інформаційного потоку до несприятливих умов середовища, з іншого - відповідальна за "вдосконалення" геному за дії цих чинників, оскільки вплив факторів хімічного або фізичного походження робить можливими точкові мутації в молекулі ДНК, які приводять до амінокислотних замін, деякі з них можуть відбиратись у процесі еволюції.

Лінійність запису інформації, кодовий словник. У ході трансляції кодони мРНК послідовно читаються з фіксованої стартової точки в межах рамки зчитування (порядку декодування інформації), починаючи з установки першої нуклеотидної основи мРНК із подальшим строго потриплетним скануванням матриці від 5'- до З'-кінця. Із 64 триплетів 3 (УАГ, УАА, УГА) не кодують жодну амінокислоту. Це нонсенскодони (стоп-кодони), які беруть участь у реалізації етапу термінації трансляції. Кодони АУГ і рідше ГУГ є стартовими, вони ініціюють процес трансляції.

Код універсальний для всіх білоксинтезуючих систем живих організмів, що має велике практичне значення, адже завдяки цьому можна примусити гени одного організму працювати в іншому й виробляти функціонально активні білки. Наприклад, це дозволяє за допомогою методів генної інженерії отримувати в бактеріях пептиди, які потрібні в медицині для лікування певних захворювань (інсулін, гормон росту тощо). Однак універсальність коду виявилась не абсолютною, є винятки: скажімо, білок- синтезуючі системи мітохондрій мають ряд відхилень від універсальності коду. Сукупність таких відхилень назвали перекодуванням. До них належать: корекція кодонів на мРНК; заданий певним чином зсув рамки зчитування та нестандартне зчитування кодонів, ілюстрацією якого є декодування стоп-кодону УГА із включенням до складу білкової молекули амінокислоти селеноцистеїну, яку часто називають 21 амінокислотою.

Отже, генетичний код містить інформацію про структуру білків, зашифровану в нуклеїнових кислотах, а також ключі для з'ясування шляхів трансляції цієї інформації з утворенням молекули білка.