Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Семинары: Тема 10. Генетический код и синтез белков (с. 43 – 44)

Генетический код – это способ организации генетической информации, записанной в молекулах ДНК и РНК, и реализации ее при синтезе белков в клетках, по существу, «словарь» для перевода «слов» – кодонов языка ДНК и РНК в «слова» – аминокислоты языка белков (отметим, что студенты часто путают генетический код с самой генетической информацией). При этом каждый кодон состоит всего из трех «букв», в роли которых выступают нуклеотиды ДНК или РНК (или их азотистые основания), а белки могут содержать сотни и многие тысячи аминокислот. Напомним, что нуклеотиды состоят из трех органических групп: сахара (дезоксирибозы у ДНК и рибозы у РНК), остатка фосфорной кислоты и азотистого основания, а сами молекулы ДНК или РНК представляют собой соответственно двухцепочные (ДНК) или одноцепочные (РНК) полинуклеотиды (полимеры нуклеотидов).

В живых организмах используются пять видов азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G), тимин (T), цитозин (C) – в молекулах ДНК, а также вместо тимина урацил (U) – в молекулах РНК (соответственно русские обозначения этих «букв» – А, Г, Т, Ц и У), и в основном только 20 видов аминокислот для синтеза белков. Возникает вопрос: каким образом должна быть организована информация, записанная 4-буквенным языком в молекулах ДНК и РНК, чтобы ее можно было однозначно перевести на 20-буквенный алфавит молекул белков? Принцип перевода указал в 1954 г. известный российский физик Г. Гамов, эмигрировавший в США: «слова» языка ДНК и РНК (кодоны) должны содержать не менее 3-х «букв». Тогда различных слов (а их общее число в этом случае равно 4³ = 64) будет достаточно, чтобы кодировать 20 букв, обозначающих аминокислоты всех живых белков. Проще не получается.

Этот принцип генетического кода был подтвержден и весь код расшифрован в тонких биохимических опытах в 1961 – 1966 гг., за что американским биохимикам Р. Холли, Х. Корана и М. Ниренбергу в 1968 г. была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Генетический код РНК представлен в таблице (в скобках указаны английский обозначения аминокислот).

Кодируемая аминокислота	Кодоны
Аланин (Ala) Аргинин (Arg) Аспарагин (Asn) Аспарагиновая кислота (Asp) Валин (Val) Гистидин (His) Глицин Gly) Глутамин (Gin) Глутаминовая кислота (Glu) Изолейцин (Ile) Лейцин (Leu) Лизин Lys) Метионин (Met) – Старт-кодон Пролин (Pro) Серин (Ser) Тирозин (Tyr) Треонин (Thr) Триптофан (Trp) Фенилаланин (Phe) Цистеин (Cys) Стоп-кодоны (Нонсенс-кодоны)	GCA, GCG, GCU, GCC AGA, AGG, CGA, CGG, CGU, CGC AAU, AAC GAU, GAC GUA, GUG, GUU, GUC CAU, CAC GGA, GGG, GGU, GGC CAA, CAG GAA, GAG AUA, AUU, AUC UUA, UUG, CUA, CUG, CUU, CUC AAA, AAG AUG CCA, CCG, CCU, CCC AGU, AGC, UCA, UCG, UCU, UCC UAU, UAC ACA, ACG, ACU, ACC UGG UUU, UUC UGU, UGC UAA, UAG, UGA

Основные свойства кода: 1) код триплетен – «слово» информации в ДНК и РНК, называемое кодоном, содержит всегда три «буквы» (азотистые основания), т. е. представляет собой триплет (напр., AUG в РНК и т. д.); 2) код однозначен – каждый кодон кодирует только одну аминокислоту (напр., ААА в РНК кодирует только лизин и т. д.); 3) код вырожден – почти все аминокислоты (кроме метионина и триптофана) могут кодироваться двумя, четырьмя или шестью кодонами, у которых, как правило, совпадают первые две буквы кодона, что уменьшает ошибки синтеза белков при повреждениях ДНК или РНК (напр., глутамин кодируется кодонами САА и САG у РНК); 4) внутри гена, который кодирует один белок при трансляции, нет разрывов и «знаков препинания», т. е. все кодоны в мРНК, с которых идет синтез данной полипептидной цепи, расположены вплотную, откуда следует, что при выпадении хотя бы одного основания весь «текст» гена становится совершенно другим; 5) между генами имеются «знаки препинания» (стоп-кодоны UAA, UAG, UGA), прекращающие синтез соответствующего белка (по несколько упрощенному принципу: «один ген – один белок»), что допускает одновременную работу на мРНК сразу нескольких рибосом; 6) код не перекрывается, т. е. в каждом случае в начале транляции первые три расположенных рядом нуклеотида образуют один триплет, следующие три нуклеотида – другой триплет и т. д.; 7) синтез белка начинается со старт-кодона AUG, который находится в начале «текста» гена, если же он имеется и в середине «текста», то в полипептидную цепь включается аминокислота метионин (иногда старт-кодоном служет триплет GUG); 8) код универсален – во всех живых организмах аминокислоты кодируются одинаковыми кодонами (ДНК митохондрий и хлоропластов синтезируют белки по коду, который немного отличается от универсального). Универсальность кода свидетельствует о том, что все живые организмы на Земле произошли от одного предка, а некоторые отличия кода митохондрий и хлоропластов – о том, что существующий код сформировался не сразу, а претерпел некоторую эволюцию.

Синтез белков в клетках происходит только «по потребностям» организма, что управляется с помощью многих ферментов и гормонов, и состоит из четырех основных этапов: транскрипция, сплайсинг, трансляция и окончательное формирование молекул белков.

Транскрипция – перезапись генетической информации с ДНК на синтезируемые различные виды РНК. Синтез РНК катализируется различными типами фермента, называемого ДНК-зависимая РНК-полимераза. Начинается с расплетания нескольких участков двойной спирали ДНК и разделения нитей, при этом транскрибируется только одна положительная (+) цепь ДНК. У прокариот и эукариот процесс транскрипции существенно различается.

Сплайсинг – удаление последовательностей в синтезированных РНК, которые соответствуют некодирую-щим участкам ДНК (интронам), и соединение («сшивание») белок-кодирующих участков (экзонов), в результате чего окончательно формируется зрелая информационная (или матричная) РНК (иРНК, или мРНК), которая затем выводится из ядра клетки в цитоплазму (у эукариот) и определяет дальнейший синтез белков в рибосомах. Это связано с тем, что в ДНК, наряду с белок-кодирующими участками (которые и образуют гены) имеются еще многочисленные повторы триплетов и их различных последовательностей как внутри генов, так и между ними. Эта некодирующая белки часть ДНК составляет большую часть генома (у человека до 98%) и определяет, по-видимому, синтез других различных типов РНК.

Трансляция – перевод генетической информации с языка последовательности оснований мРНК на язык аминокислотной последовательности белка, происходит в рибосомах (в цитоплазме) теперь уже на матрице мРНК (число нуклеотидов от 75 до 3000, которая после окончания синтеза белков долго не живет. В нем участвуют еще два типа молекул РНК – рибосомные (рРНК, число нуклеотидов от 100 до 3000), на которых собственно и происходит синтез, и транспортные (тРНК, число нуклеотидов 75), доставляющие к рибосомам аминокислоты (их не менее 20 различных видов по числу аминокислот). Сам синтез белка начинается с образования комплекса, включающего рРНК (в рибосоме), мРНК и соответствующей тРНК. Далее рибосома движется вдоль мРНК по мере роста полипептидной цепи белка. Прикрепление очередной аминокислоты в цепи начинается с «узнавания» очередного кодона на мРНК комплементарного антикодону на тРНК. Окончание синтеза происходит по команде стоп-кодонов на мРНК, для которых в природе не существует молекул тРНК с соответствующими антикодонами. Все эти процессы, включая присоединение аминокислоты к тРНК катализируются специальными белками-ферментами.

На заключительном этапе синтеза, чтобы белок приобрел свои специфические свойства, полипептидная цепь должна свернуться в пространстве с образованием единственной «нативной» (функционально активной) конформации (вторичная и т. д. структуры), что также регулируется специальными ферментами (молекулярными шаперонами– особыми «няньками» вновь рожденных белков). Кроме того, шапероны обеспечивают доставку белков в другие субструктуры клетки.

Примеры решения задач.

Задача 10.1. На фрагменте молекулы ДНК, имеющим состав азотистых оснований –АТЦТГА- , синтезируется фрагмент молекулы мРНК. Укажите его состав.

Решение и ответ. Молекула мРНК – одноцепочный полимер, азотистые основания которого комплементарны азотистым основаниям молекулы ДНК, на которой она синтезируется. Следует только учитывать, что вместо тимина ДНК в РНК входит урацил. По принципу комплементарности, который вытекает из правила Чаргаффа, указанным основаниям участка молекулы ДНК будут соответствовать следующий порядок оснований молекулы РНК: -УАГАЦУ-.

Задача 10.2. Какая последовательность аминокислот синтезируемого белка закодирована нуклеотидной последовательностью (азотистых оснований) следующего фрагмента молекулы мРНК: -АГУЦАГУУУ- ?

Решение и ответ. Считаем, что первое азотистое основание соответствует первой букве кодона. Учитывая, что аминокислоты, доставляемые в рибосому молекулами тРНК, определяются их антикодонами, которые соответствуют кодонам мРНК, из таблицы генетического кода находим, что кодону АГУ отвечает антикодон УЦА и аминокислота серин, кодону ЦАГ – ГУЦ и валин, кодону УУУ – ААА и лизин. Таким образом соответствующая последовательность аминокислот в белке имеет вид: серин-валин-лизин.

***