Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011

Роль РНК в трансляции
Генетический код

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов (A,T,G,C) в ДНК.

Поскольку ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, то код записывается на языке (A,U,G,C) РНК.

В РНК вместо тимина входит урацил.

4.2.1. Свойства генетического кода.

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трёх нуклеотидов (таблица 1).

Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20 (число аминокислот).

Таблица 1 - Генетический код

Код не может быть дуплетным, поскольку 16 (число сочетаний и перестановок из четырёх нуклеотидов по два) меньше 20.

Код может быть триплетным, поскольку 64 (число сочетаний и перестановок из четырёх по три) больше 20.

2. Вырожденность. Из 64 возможных кодонов 61 определяет аминокислоты, а 3 являются стоп-кодонами. Большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном. Только две - метионин (Met) и триптофан (Тrр) - имеют единственный кодон. С другой стороны, лейцин (Leu), серин (Ser) и аргинин (Arg) кодируются шестью кодонами каждый.

Различные кодоны для одной и той же аминокислоты называют синонимами.

Сам код называют вырожденным, что означает, что более чем один кодон определяет одну аминокислоту.

За исключением метионина и триптофана все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом, а именно:

✵ Две аминокислоты кодируются одним триплетом: 2x1=2.

✵ Девять аминокислот кодируются двумя триплетами: 9x2=18.

✵ Одна аминокислота кодируется тремя триплетами: 1x3=3.

✵ Пять аминокислот кодируется четырьмя триплетами: 5x4=20.

✵ Три аминокислоты кодируются шестью триплетами: 6x6=18.

Всего 2+18+3+20+18=61 триплет кодирует 20 аминокислот.

3. Наличие межгенных знаков препинания. Ген - это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу РНК.

На конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из трёх терминирующих кодонов, или стоп-кодонов: UAA, UAG, UGA. Они не кодируют аминокислоты, а терминируют трансляцию. Иногда их называют бессмысленными кодонами или нонсенсами. В конце гена обязательно стоит UAA, или UAG, или UGA (а то и два нонсенса подряд).

Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после стартовой точки. Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот). Любой последующий AUG в гене просто кодирует метионин.

В некоторых бактериальных мРНК GUG тоже используется как инициирующий кодон, и иногда CUG случайно используется как инициирующий кодон у эукариот.

4. Однозначность. Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции. Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формил метионин, а в любой другой - метионин.

5. Универсальность. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. Это является сильнейшим свидетельством в пользу единства происхождения и эволюции.

6. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

7. Помехоустойчивость.

Консервативными мутациями называют замены нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты.

Радикальными мутациями называют замены нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты.

На рисунке 33 генетический код представлен в круговой форме.

Примечательно, что для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть любым. Следовательно, мутации-замены оснований в третьем положении многих кодонов вообще не будут проявляться.

Кроме того, мутации, приводящие к замене полярного остатка на неполярный, часто не носят ярко выраженный характер, если остатки близки по своим физико-химическим свойствам. Если такие мутации и проявляются, то мутантный белок не полностью утрачивает свою активность, а лишь частично. Такие мутации привели, по-видимому, к возникновению так называемых белков-синонимов, имеющих одинаковую укладку и ферментативную активность, но разную первичную структуру.

В каждом триплете можно провести 9 однократных замен.

Общее количество возможных замен нуклеотидов: 61 по 9 = 549.

Рисунок 33 - Генетический код в круговой форме. Внутренний круг - первая буква кодона, второй круг - вторая буква кодона, третий круг - третья буква кодона, четвертый круг - обозначения аминокислот в трёхбуквенном сокращении, пятый круг - полярность (П) или неполярность (НП) аминокислот

Из 549 возможных замен нуклеотидов:

— 134 замены не меняют кодируемую аминокислоту.

— Остальные 415 мутаций приводят к изменению смысла кодонов, их называют миссенс-мутации.

Миссенс-мутации:

> 23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов трансляции. Такие мутации называют нонсенс-мутации.

> 230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты.

> 162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются радикальными.

> Из 183 замен третьего нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 - консервативны.

> Из 183 замен первого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны, а 60 - радикальны.

> Из 183 замен второго нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 - консервативны, а 102 - радикальны.

Итак, число консервативных замен: 176+114+74=364, число радикальных замен: 102+60=162 (таблица 2).

Таблица 2 - Возможные точечные мутации

Показателем помехоустойчивости генетического кода называется отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен: 364/ 162 = 2,25.

Таким образом, генетический код обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к миссенс-мутациям — мутациям, изменяющим смысл кодонов. При этом наиболее четко проявляются те миссенс-мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные, и наоборот.

8. Неперекрываемость. В 1956 г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода. Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене, входит в состав трёх кодонов. Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем, т. е. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона.

Таковы восемь свойств генетического кода.

4.2.2. Информационная емкость ДНК. На Земле живет 6 миллиардов человек. Наследственная информация о них заключена в 6х10⁹ сперматозоидах. По разным оценкам у человека от 30 до 50 тысяч генов. У всех людей ~ (50х10³)х(6х10⁹) = 30х10¹³ генов или (30х10¹⁶) = (3х10¹⁷) пар нуклеотидов, которые составляют 10¹⁷ кодонов.

Средняя книжная страница содержит 2500 знаков. ДНК 6х10⁹ сперматозоидов содержит информацию, равную по объёму примерно 4х10¹³ книжных страниц. Эти страницы заняли бы объём пяти зданий Госпрома. 6x109 сперматозоидов занимают половину наперстка. Их ДНК занимает менее четверти наперстка.

4.2.3. Рамка считывания. Последовательность кодонов между стартовым и финишным кодонами называется рамкой считывания (reading frame).

Эта точная последовательность рибонуклеотидов группами по три в мРНК определяет как линейную последовательность аминокислот в полипептидной цепи, так и сигналы о том, где следует начинать и заканчивать синтез.

Поскольку в генетический код не имеет "запятых" и записывается неперекрываемыми триплетными кодонами, то конкретная мРНК теоретически могла быть транслирована в три различные рамки чтения.

В самом деле, было показано, что некоторые мРНК содержат перекрывающуюся информацию, которая может быть транслирована в различные рамки считывания, дающие различные полипептиды (рисунок 34).

Подавляющее большинство мРНК, однако, считываются только в одну рамку, иначе ещё до того, как сформируется функциональный белок, трансляция прерывается стоп-кодоном, неизбежно возникающем при использовании одной из двух других "неправильных" рамок считывания.

Другая возможность ошибочной трансляции возникает при случайном сдвиге рамки считывания.

Это происходит, когда, например, четыре нуклеотида будут ошибочно прочтены как один кодон и транслированы в одну аминокислоту, или, наоборот, будет пропущен один нуклеотид и дальнейшее чтение триплетов будет происходить в уже новой рамке считывания. Такие случаи сдвига рамки достаточно редки, но несколько десятков таких примеров зарегистрированы.

Рисунок 34 - Пример того, как генетический код может быть транслирован в различные рамки чтения

4.2.4. Вариации генетического кода. Генетический код одинаков для всех организмов - аргумент в пользу утверждения о едином происхождении всей земной биосферы.

Однако генетический код отличается для некоторых кодонов во многих митохондриях, и некоторых простейших (таблица 3), причем большинство этих отклонений заключаются в чтении стоп-кодона как аминокислоты, а не в замене одной аминокислоты на другую.

Таблица 3 - Отклонения от универсального генетического кода