ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 2. Експресія генів

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Одне "слово" нуклеотидного тексту має відповідати одному із 20 типів амінокислот, що входять до складу білків. Загальна кількість комбінацій по два нуклеотиди з чотирьох дорівнює 16, а по три - 64. Отже, мінімальна кількість нуклеотидів у одному слові, достатня для кодування 20 амінокислот, має дорівнювати трьом. Саме це й реалізується в генетичному коді: одне слово - кодон - являє собою триплет нуклеотидів (рис. 2.1). Серед 64 кодонів три є сигналами зупинки синтезу білка (стоп-кодони, або нонсенс- кодони), решта (61 змістовний кодон) відповідають 20 амінокислотам. Певний триплет кодує одну й тільки одну певну амінокислоту. Зворотне співвідношення не є однозначним: 18 амінокислот кодуються кількома синонімічними триплетами - код є виродженим. Дві амінокислоти - Trp і Met - невироджені й кодуються лише одним кодоном кожна.

Три позиції нуклеотидів у складі синонімічних кодонів не рівнозначні: найважливішою для визначення змісту кодона є комбінація нуклеотидів у першій та другій позиції. При цьому друга позиція визначає зміст кодона найжорсткіше - нуклеотидні заміни по ній завжди приводять до зміни змісту (амінокислотної заміни). Найнезмістовнішою є третя позиція - нуклеотидні заміни по третій позиції в 70 % випадків не викликають змін змісту кодона.

Два параметри амінокислотних залишків мають особливе значення для структури білка: розмір і здатність взаємодіяти з водою. За останньою ознакою залишки можна розділити дві групи: полярні

(такі, що добре взаємодіють із водою, - Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, His, Lys, Ser, Thr) і неполярні, або гідрофобні (Cys, Ile, Leu, Met, Phe, Trp, Tyr, Val). Три гідрофобні залишки (Ala, Gly, Pro) - маленького розміру, тому їх можна вважати "нейтральними" щодо спорідненості до води. У глобулярних водорозчинних білках співвідношення між гідрофобними й полярними залишками дорівнює в середньому 50 : 50. Унаслідок гідрофобного ефекту неполярні залишки прагнуть опинитися всередині структури білка, полярні залишаються на поверхні, зберігаючи взаємодії з водою. Це і є головна рушійна сила, яка змушує білковий ланцюг укладатися певним чином у просторі, формуючи компактну глобулярну структуру, що має певну функціональну активність.

Рис. 2.1. Таблиця генетичного коду. Послідовності кодонів наведено у напрямку від 5'- до 3'-кінця у складі мРНК. Використано стандартні скорочення амінокислот (у дужках - загальновживані однолітерні скорочення): Ala - аланін (A), Arg - аргінін (R), Asn - аспарагін (N), Asp - аспарагінова кислота (D), Cys - цистеїн (C), Gln - глутамін (Q), Glu - глутамінова кислота (E), Gly - гліцин (G), His - гістидин (H), Ile - ізолейцин (I), Leu - лейцин (L), Lys - лізин (K), Met - метіонін (M), Phe - фенілаланін (P),

Pro - пролін (P), Ser - серин (S), Thr - треонін (T), Trp - триптофан (W),

Tyr - тирозин (Y), Val - валін (V). Stop - стоп-кодон

Залежно від типу нуклеотиду в другій позиції, усі кодони можна розділити на чотири групи (чотири стовпчики в таблиці коду на рис. 2.1). До групи U (урацил у другій позиції) належать гідрофобні амінокислоти великого розміру, до групи А - великі полярні амінокислоти (крім Tyr, але й він, хоча загалом гідрофобний, також здатен утворювати водневий зв'язок), група С сформована амінокислотами маленького розміру. Тобто нуклеотидні заміни в першій і третій позиціях у межах цих груп не викликають зміни властивостей амінокислоти, мінімізуючи вплив таких амінокислотних замін на просторову структуру білка: генетичний код є стійким до перешкод.

Наведена таблиця коду реалізується як для бактерій, так і для ссавців, тобто генетичний код досить універсальний. Але в деяких випадках (окремі прокаріоти, гриби, водорості, а також автономна генетична система мітохондрій) спостерігаються невеличкі відхилення від цієї універсальної таблиці. Наприклад, деякі стоп-кодони іноді стають змістовними. Слід зауважити також, що один із стоп-кодонів - UGA - у переважної більшості організмів використовується для кодування мінорної 21-ї амінокислоти - селеноцистеїну. Ця амінокислота включається при білковому синтезі лише в кілька важливих ферментів, таке нестандартне сприйняття стоп-кодона системою трансляції залежить від контексту послідовності, в якому цей кодон міститься.

У процесі синтезу білка триплети зчитуються з нуклеотидного тексту один за одним: сусідні триплети не перекриваються, між ними немає проміжків. Будь яка послідовність нуклеотидів може бути прочитана трьома різними способами, тобто вона містить три рамки зчитування (рис. 2.2). Нуклеотидна заміна може зумовити зміну змісту кодона - амінокислотну заміну, а видалення хоча б одного нуклеотиду привести до зсуву рамки зчитування, тобто заміни змісту всіх кодо- нів, розташованих нижче такого втраченого нуклеотиду (чи ділянки, довжина якої не є кратною трьом).

Рис. 2.2. Три можливі рамки зчитування, одна з яких (позначена червоними дужками) є відкритою

Рамка, яка розташована між стартовим (найчастіше роль стартового при білковому синтезі відіграє метіоніновий кодон AUG) і стоп- кодоном, називається відкритою рамкою зчитування (ORF, open reading frame). Отже, кодуюча частина білкового гена обов'язково містить відкриту рамку зчитування.