Генетический код и его свойства

Генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего, из 4 букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями.

1953 год обычно считают годом рождения молекулярной биологии. В это время американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик в Кембридже расшифровали структуру ДНК — двойную спираль. Их работа базировалась на данных М. Уилкинса и Р. Франклина (Великобритания) по рентгеноструктурному анализу ДНК и на данных Э. Чаргаффа (США) о нуклеотидном составе ДНК.

Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 году Г. Гамовым. Основные свойства кода «триплетность» и «вырожденность» выявили в 1961 году Ф. Крик и С. Бреннер. В 1961 году впервые дешифровали первую триплетную последовательность — это сделали ученые М. Ниренеберг и Г. Маттеи. К 1965 году был расшифрован полностью весь генетический код. В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода — секвенирования, в котором используются ферменты рестриктазы.

Принцип кодирования генетической информации заключается в том, что порядок расположения аминокислот в белке закодирован в порядке расположения кодонов (триплетов нуклеотидов) в ДНК гена, т. е. структура гена и структура кодируемого им белка коллинеарны.

Свойства генетического кода:

• 1. Код является триплетным. Триплет — последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
• 2. Код является непрерывным. Каждый триплет соседствует со следующим без промежутков.
• 3. Код является неперекрывающимся. Процесс считывания генетической информации не допускает возможности перекрывания кодонов.
• 4. Код является вырожденным (избыточным), т. е. одна аминокислота может кодироваться различными триплетами нуклеотидов (исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом). Аминокислот — 20. Различных триплетов нуклеотидов — 4³=64.Три триплета УАА, УАГ, УГА — это стоп-сигналы (терминирующие кодоны), прекращающие синтез белка. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.
• 5. Код является коллинеарным. Очерёдность триплетов нуклеотидов ДНК соответствует очерёдности аминокислот в белке.
• 6. Код является универсальным, т.к. он одинаков для всех живых организмов.
• 10. Основные этапы биосинтеза белка в клетке

Синтез белков является одним из наиболее важных и характерных свойств любой живой клетки.

Способность к синтезу белков передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Биосинтез белка — один из центральных процессов метаболизма клетки, который связан с потоком вещества, энергии и информации.

Для осуществления биосинтеза белка необходим ряд условий, среди которых выделим, главные:

• 1. место синтеза — рибосомы;
• 2. материал, из которого строятся белки, — аминокислоты;
• 3. информация — она содержится в участке ДНК — гене, а передаётся синтезируемому белку через РНК (ДНКРНКБелок);
• 4. необходимым условием является энергия (в виде АТФ), т.к. синтез белкапроцесс эндотермический;
• 5. важную роль в процессе биосинтеза белка играют ферменты, которые позволяют ему идти быстрее, четко, в определённой последовательности (ферменты: РНК-полимераза. белок-синтетаза и др.).

Рассмотрим процесс синтеза белка на примере эукариотической клетки. Можно выделить 3 основных этапа в этом процессе:

• 1. Транскрипция.
• 2. Посттранскрипционные превращения.
• 3. Трансляция.

Остановимся на этих этапах более подробно.

Транскрипция — первый этап реализации генетической информации, передача (переписывание) её с ДНК-матрицы на образующуюся РНК. Осуществляется в ядре клетки на смысловой нити ДНК, находящейся в деспирилизованном состоянии. Транскрипция идет в 3 стадии: инициация, элонгация и терминация.

Инициация. Для инициации необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание молекулы ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК — это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминзция (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Особенностью транскрипции у эукариот является то, что информация переписывается с промотора, оператора, с экзонов и интронов структурного гена и в результате образуется про-м-РНК, которую называют незрелой м-РНК. Она в среднем в 5 раз длиннее зрелой м-РНК.

Вторым этапом биосинтеза белка, который также происходит в ядре клетки, являются посттранскрипционные изменения структуры про-мРНК. Всю совокупность реакций, в результате которых из незрелой про-мРНК формируется зрелая м-РНК, называют процессингом. Он включает удаление начальных участков про-мРНК (соответствующих промотору и оператору), удаление участков, переписанных с интронов, а также сплайсинг (сшивание) участков, переписанных с экзонов. Зрелая м-РНК, соединяясь в ядре со специфическими белками, образует информоферы. Предполагают, что они способствуют отделению м-РНК от ДНК-матрицы и транспортировке её к ядерной мембране. Вышедшая из ядра м-РНК образует информосомы, вступая в комплекс со специфическими белками, играющими роль в процессе трансляции. Информосомы могут долго существовать в цитоплазме, например, при созревании яйцеклетки.

Следующим этапом биосинтеза белка, который идёт в цитоплазме клетки, является трансляция.

Трансляция — это перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах м-РНК, в определённую последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.

В процессе трансляции активно участвуют м-РНК, рибосомы, т-РНК с различными аминокислотами, ферменты (аминоацил-тРНК-синтетазы, белок-синтетазы и др.), используется энергия АТФ.

Зрелые молекулы мРНК, попавшие в цитоплазму, прикрепляются к рибосомам, а затем протягиваются через них.

Функционирующие рибосомы состоят из 2-х субъединиц, большой и малой, построенных из р-РНК и различных белков, около 50% занимает вода. В каждцй момент внутри рибосомы находится небольшой участок м-РНК — обычно это 2 кодона или 2 триплета нуклеотидов.

Кодон — единица наследственной информации, состоящая их трёх расположенных в определённой последовательности нуклеотидов РНК и кодирующая одну аминокислоту. Т.к. имеется 4 типа нуклеотидов, то существует 64 различных триплетных кодона (4³ = 64).

Аминокислоты доставляются в рибосомы различными т-РНК, которых в клетке несколько десятков. Молекулы т-РНК имеют два активных центра. К одному из них с участием АТФ и с помощью ферментов происходит присоединение аминокислоты, при этом образуется комплекс аминоацил-тРНК, а аминокислоты при этом активируются. Процесс узнавания аминокислот транспортными РНК получил название рекогниции. Второй активный центр в аминоацил-тРНК называется антикодоном — это участок молекулы т-РНК. состоящий из трёх нуклеотидов и «узнающий» комплиментарный ему участок из трёх нуклеотидов (кодон) в молекуле м-РНК. Взаимодействие кодона м-РНК и антикодона т-РНК обеспечивает определенное расположение аминокислот в синтезирующейся на рибосомах полипептидной цепи. Рибосома движется относительно м-РНК только в одном направлении (от 5' -> 3'), перемещаясь на один триплет.

Синтез белковой молекулы происходит в большой субъединице, где против одного триплета расположен эминоацильный центр (служит для удержания только что прибывшей молекулы т-РНК с аминокислотой), а против другого — пептидильный центр (фиксируют молекулу т-РНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи). Образование пептидных связей между аминокислотами происходит в большой субъединице рибосомы, где работает фермент лептидилтрансферраза или белок-синтетаза.

Молекула м-РНК может работать сразу с несколькими рибосомами, все они синтезируют один и тот же белок.

Группа рибосом, одновременно находящихся на одной м-РНК, называется полирибосомой (полисомой).

Рибосома, как место синтеза, может участвовать в синтезе любого белка, характер же белка зависит от м-РНК. Каждая м-РНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы м-РНК около 2-х минут. Разрушая старые и образуя новые м-РНК, клетка может регулировать тип продуцируемых белков и их количество.

Трансляция включает следующие стадии :

• 1) инициация — начало синтеза;
• 2) элонгация — удлинение, наращивание полипептидной цепи;
• 3) терминация — окончание синтеза.

Синтез белка заканчивается, когда рибосома доходит до терминирующего кодона (бессмысленного). Это кодоны: УАГ, УАА, УГА, они не кодируют никаких аминокислот и являются знаками прекращения синтеза полипептидной цепи на м-РНК. По окончании синтеза белка, рибосома распадается на малую и большую субъединицы. Синтезированная белковая молекула по эндоплазматической сети поступает в ту часть клетки, где данный белок необходим.