3. Генетический код

Для молекулы наследственности, которой является ДНК, мало того, что она сама способна самовоспроизводиться — это только часть наследственности. ДНК должна каким-то образом кодировать все признаки организма. Большинство признаков любого организма, будь то одноклеточного или многоклеточного, определяется белками: ферментами, струк­турными белками, белками-переносчиками, белками-канала­ми, белками-рецепторами и т.д. Следовательно, ДНК должна каким-то образом кодировать строение белков, т.е. порядок расположения в них аминокислот.

Двадцать аминокислот, из которых обычно построены белки, показаны на рис. 3.6. Аминокислоты соединяются друг с другом с помощью пептидной связи, которые образуются в результате кон­денсации аминогруппы (NH₂) одной аминокислоты с карбоксиль­ной группой (СООН) другой аминокислоты. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи записывают от аминокислоты со свободной NH₂-rpynnoH до аминокислоты со свободной СООН- группой.

Действительно в начале 60-х годов XX в. было показано, что последовательность нуклеотидов ДНК является кодом для построения всех белков организма (в действительности не только белков, но и разных типов РНК). Были также изу­чены свойства генетического кода (табл. 3.1). Сначала теоре­тически, а потом и экспериментально с помощью анализа мутаций у разных организмов, в том числе мутаций в гене р-глобиновой цепи гемоглобина человека, а также биохими­ческими методами, установили, что код является триплет- ным. Это означает, что * каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов. Действительно, так как для построения белков используется 20 различных аминокислот, то код не может быть однонуклеотидным, поскольку существует всего

■<

синтезируются при участии PH К-полимеразы (праймазы). Затравки дегра­дируют после завершения синтеза следующего фрагмента Оказаки. Образо­ванные соседние фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой.

В. Показано, как происходит движение репликативной вилки. Топоизоме­раза удаляет супервитки спирали, хеликаза обеспечивает раскручивание двойной спирали, белок SSB обеспечивает стабильность одноцепочечной ДНК (из: Ф. Айала, Кайгер Дж. Айала. Современная генетика. — М.: Мир, 1987. - Т. 2. - С. 106).

Глицин (Гли)	Аланин (Ала)	Валин (Вал)	Лейцин (Лей)	Изолейцин (Иле)
nh2	nh2	мн2	nh2 1	nh2 1
1 Н”^-с—соон Hi	н—с—соон [сн_з!	н—с—соон 4 НС—СН3 | I 1	н—с—соон r_-J 1 сн2 1 1 ^	н—с—соон 1 1 1 с—сн3!
		1 1 [_СН3 |	! НС—сн3 1 1	| сн2 ! i 1 !
Фенилаланин (Фен)	Пролин (Про)	Метионин (Мет)	! сн3	^1 сн3 1 г J
NH2 1	NH2	nh2 1
н—с—соон	HN—С—СООН	н—с—соон

_г_| ₁

СИ 2

с

L.

—V— НгС сн

₂ х

Н-

н₂

I

S-CHg

Серии

(Сер)

nh₂

I

н—с—соон ГI i

сн₂ он

Треонин

(Тре)

nh₂ н—с—соон

_г_|

I НС—сн₃

! I

I ОН

Тирозин

(Тир)

nh₂

I

н—с—СООН

_г — -) 1

СН₂

он

Триптофан

(Три)

NH₂

I

н—С—СООН _r-f

Глутамин

(Глн)

NH₂

I

н—с—соон —> сн₂

Цисте и н (Цис)

NH₂

I

н—с—соон iH—i сн₂

I

SH

Аспарагин

(Асн)

nh₂

н—с—соон

[ 1-

сн₂ I

А

О NH₂

А

О nh₂

L.

Рис. 3.6. Двадцать аминокислот, из которых построены белки.

Аминокислоты делятся на классы в зависимости от особенностей боковы: групп: А — нейтральные гидрофобные, Б — нейтральные полярные.

Аргинин Гистидин (Apr) (Гис)

nh₂ nh₂

(Глу)

н—с—соон н—с—соон н—с—соон

i 1

сн₂

I

н—с—соон

"1

r-j—-	г 1
i ?^Н2^1 ! 1 i	сн2
1 1 ^1 ^СН2 ! J I 1	1 1 1 сн2 1 1
1 сн2 ! i i	1 |^Н2
i i j сн2 ^1 i	1 ! ! "
i ' i i nh2 1	1 С
1 -I	1 #\

Лизин

(Лиз)

nh₂

HN NH

г — \ 1	ь-
СН2 1 ^1 1	СН2
1 1 ^1 ^1 !	СН2
!	1
О ОН I	с
1

(Асп)

NH₂

н—с—соон

nh₂

о он

Аспарагиновая Глутаминовая кислота кислота

в

Рис. 3.6. Продолжение.

В — основные, Г — кислые.

4 нуклеотида. Код не может быть также динуклеотидным: так как возможно всего 16 комбинаций из 2 нуклеотидов. При 3 нуклеотидах число комбинаций возрастает до 64, и этого вполне достаточно, чтобы кодировать 20 различных амино­кислот. Кроме того, из этого также следует, что генетический код должен быть вырожденным, т.е. что одна аминокислота может кодироваться более чем одной тройкой нуклеотидов. Еще одним важным свойством генетического кода является то, что он неперекрывающийся, т.е. каждую последовательно новую аминокислоту полипептидной цепи кодирует последо­вательно новый триплет ДНК. Генетический код не содержит знаков препинания, и кодирующие триплеты следуют один за другим. Генетический код является универсальным и ис­пользуется одинаково как прокариотами, так и эукариотами. Кодирующие триплеты нуклеотидов получили название ко­донов.

В табл. 3.1 представлены одновременно триплетные коды ДНК и информационной РНК, о структуре и функции кото­рой будет сказано ниже. Из табл. 3.1 видно, что все амино­кислоты, кроме триптофана и метионина, кодируются более чем одним кодоном. Наиболее важны первые два нуклеотида каждого кодона. Третий нуклеотид неспецифичен. Три кодо­на определяют сигнал прекращения синтеза полипептидной цепи (терминация трансляции): УАА, УАГ и У ГА. Это озна­чает, что в том месте информационной РНК (мРНК), где на­ходится любой из этих кодонов, синтез полипептидной цепи белка прекращается. Кодоны, указывающие на терминацию синтеза полипептидной цепи, называют стоп-кодонами.

Таблица 3.1. Генетический код

Второе основание

первое осно­ вание	ДНК мРНК	А		Г		Т	Ц
		У		ц		А	Г
A	У	}*ен		УЦУ 1 УЦЦ УЦА УЦГ J	► Сер	УАУ 1Тир УАЦ J ^Р УАА | pjQn УАГ }^^топ	Ж} УГА Стоп УГГ Трп
Г	ц	ЦУУ 1 ЦУЦ ЦУА ЦУГ ^	► Лей	ЦЦУ ^ ЦЦЦ ЦЦА ццг ^	> Про	Кц }^Гис	ЦГУ 1 ЦГЦ ЦГА цгг J	► Apr
T	А	АУУ 1 АУЦ АУА , АУГ	► Иле Мет	АЦУ ^ АЦЦ АЦА АЦГ >	► Тре	ААЦ }^АС“ «А }Лиз	Ж }°* АГГ }^Арг
Ц	Г	ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ ,	> Вал	ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ .	> Ала	^ГАУ 1 Асп ГАЦ ] ^С ^ГАА } Глу ГАГ J ^у	ГГУ 1 ГГЦ ГГА ГГГ J	► Гли

Примечание. Фен — фенилаланин, Лей — лейцин, Иле — изолейцин, Мет — метионин, Вал — валин, Сер — серин, Про — пролин, Тре — треонин, Ала — аланин, Тир — тирозин, Стоп — стоп кодон, Гис — гистидин, Глн — глутамин, Асн — аспарагин, Лиз — лизин, Асп — аспарагиновая кислота, Глу — глутаминовая кислота, Цис — цистеин, Трп — триптофан, Apr — аргинин, Гли — глицин, А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин, У — урацил.

Приведем изображение части гена CFTR, или трансмемб­ранного регулятора кистозного фиброза, мутации в котором обусловливают развитие муковисцидоза. В каждом экзоне (это понятие будет обсуждено позже) сначала указаны ами­нокислоты, а соответствующие им кодоны располагаются строчкой ниже. Особенностью является то, что представлена последовательность кодонов мРНК, но вместо урацила (У) используется обозначение тимина (Т). Данные взяты из ин­тернетовского адреса http://genome.nhgn. nih.gov.

Exon 1 Met Gln Arg Ser CTAGCAGGGACCCCAGCGCCCAGAGACC ATG CAG AGG TCG

Pro Leu Glu Lys Ala Ser Val Val Ser Lys Leu Phe Phe CCT CTG GAA AAG GCC AGC GTT GTC TCC AAA CTT TTT TTC

Ser

AGC

Exon 2 Trp Thr Arg Pro lie Leu Arg Lys TTTATTTTAG TGG ACC AGA CCA ATT TTG AGG AAA

Gly Try Arg Gin Arg Leu Glu Leu Ser Asp lie

GGA TAC AGA CAG CGC CTG GAA TTG TCA GAC ATA

Try Gin lie Pro Ser Val Asp Ser Ala Asp Asn

TAC CAA АТС CCT TCT GTT GAT TCT GCT GAC AAT

Leu Ser Glu Lys Leu Glu Arg

СТА TCT GAA AAA TTG GAA AGA

Exon 3 Glu Trp Asp Arg Glu GTCCCACTTTTTATTCTTTTGCAG GAA TGG GAT AGA GAG

Leu Ala Ser Lys Lys Asn Pro Lys Leu lie Asn

CTG GCT TCA AAG AAA AAT CCT AAA CTC ATT AAT

Ala Leu Arg Arg Cys Phe Phe Trp Arg Phe Met

GCC CTT CGG CGA TGT TTT TTC TGG AGA TTT ATG

Phe Tyr Gly lie Phe Leu Tyr Leu Gly

TTC TAT GGA АТС TTT TTA TAT TTA GGG

Сокращения: Gly — глицин, Ala — аланин, Val — валин, Leu —

лейцин, Ile — изолейцин, Phe — фенилаланин, Pro — пролин, Met — метионин, Ser — серин, Thr — треонин, Туг — тирозин, lrp — трипто­фан, Ash — аспарагин, Glu — глутамин, Lys — лизин, Ате — аргинин, His — гистидин, А — аденин, G — гуанин, С — цитозин, Т — тимин.