Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 69)
Таблица 22.4. Последовательности оснований в триплетах и кодируемые ими аминокислоты. Приведены кодоны т. е. триолеты оснований в мРНК, а не в ДНК. В ДНК содержатся комплементарные основания, а У заменен на Т. 2-е основание
* (
Как видно из табл. 22.4, для большинства аминокислот имеется по нескольку кодонов. Код, в котором число аминокислот меньше числа кодонов, называют вырожденным. Кроме того, можно видеть, что для многих аминокислот существенное значение имеют только первые буквы. Три из представленных в табл. 22.4 кодонов не кодируют аминокислот ("нонсенс-кодоны") и действуют как "стоп-сигнал" — означают конец закодированного сообщения. По-видимому, стоп-кодон — это концевая точка функциональной единицы ДНК-цистрона.
Во всех экспериментах, проводившихся с целью расшифровки генетического кода, в качестве источника триплетов использовалась мРНК. Однако от одной клетки другой и от одного поколения другому "генетический текст" передается последовательностью триплетов в ДНК. Поскольку мРНК образу-ется непосредственно на полинуклеотидной цепи ДНК путем комплементарного спаривания оснований, запись наследуемого генетического "текста" ДНК комплементарна его записи в мРНК. Код ДНК можно получить, заменяя основания, содержащиеся в РНК, комплементарными им основаниями ДНК в соответствии с табл. 22.5.
Таблица 22.5. Комплементарность между основаниями РНК и ДНК
Одна из примечательных особенностей генетического кода состоит в том, что он, по-видимому, универсален. У всех живых организмов имеются одни и те же 20 аминокислот и одни и те же пять азотистых оснований (А, Г, Т, Ц и У). Ниренберг показал, что если ввести мРНК, взятую от вида А, в бесклеточную систему от вида Б, то в ней начнется синтез того же полипептида, который образовался бы у вида А. Например, в бесклеточных экстрактах
* (
Некоторые кодоны служат "стартовыми" (инициирующими) сигналами — означают начало полипептидной цепи (как, например, АУГ — кодон метионина), тогда как другие, такие как УАА, — не кодируют ни одну аминокислоту, а служат "стоп-сигналами", т.е. означают конец синтеза полипептидной цепи.
В настоящее время успехи молекулярной биологии достигли такого уровня, что становится возможным определять последовательности оснований в целых генах и удалось даже расшифровать весь генетический "текст" одного организма-фага Фχ174. Это серьезная веха в развитии науки, поскольку теперь можно искусственно синтезировать целые гены, что уже нашло применение в генной инженерии (см. разд. 2.3.6).
Главные черты генетического кода можно вкратце сформулировать следующим образом.
1. Кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь, служит триплет оснований в полипептидной цепи ДНК.
2. Код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов.
3. Код является вырожденным: данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом.
4. Код неперекрывающийся: например, последовательность мРНК, начинающаяся с нуклеотидов АУГАГЦГЦА, не считывается как АУГ/УГА/ ГАГ... (перекрывание по двум основаниям) или АУГ/ГАГ/ГЦГ... (перекрывание по одному основанию). Недавно было обнаружено, однако, перекрывание некоторых генов у бактериофага Фχ174 и ряда других вирусов. Эти случаи, по-видимому, составляют исключение, возможно, связанное с экономным использованием нуклеиновой кислоты (количество которой у вирусов очень невелико)[11].
22.6. Синтез белка
Из всего того, что было сказано в предыдущих разделах этой главы, можно видеть, что единственные молекулы, которые синтезируются под прямым контролем генетического материала клетки, — это белки (если не считать РНК). Белки могут быть структурными (кератин, коллаген) или играть функциональную роль (инсулин, фибриноген и, главное, ферменты, ответственные за регуляцию клеточного метаболизма). Именно набор содержащихся в данной клетке ферментов определяет, к какому типу клеток она будет относиться. "Инструкции", необходимые для синтеза этих ферментов и всех других белков, заключены в ДНК, которая почти вся находится в ядре; однако, как было показано в начале пятидесятых годов, синтез белка фактически происходит в цитоплазме и в нем участвуют рибосомы. Стало ясно, что должен существовать какой-то механизм, переносящий генетическую информацию из ядра в цитоплазму. В 1961 г. два французских биохимика Жакоб и Моно, исходя из теоретических соображений, постулировали существование особой формы РНК, выполняющей в синтезе белка роль посредника; впоследствии этот посредник получил название мРНК.
22.6.1. Роль РНК
РНК содержится во всех живых клетках в виде одноцепочечных молекул. Она отличается от ДНК тем, что содержит в качестве пентозы рибозу (вместо дезоксирибозы), а в качестве одного из пиримидиновых оснований — урацил (вместо тимина). Анализ РНК, содержащейся в клетках, показал, что существует три типа РНК, участвующих в синтезе белковых молекул. Это матричная, или информационная, РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Все три типа РНК синтезируются непосредственно на ДНК, которая служит матрицей для этого процесса. Количество РНК в каждой клетке находится в прямой зависимости от количества вырабатываемого этой клеткой белка.
22.6.2. Матричная, или информационная, РНК
Как показали исследования, мРНК составляет 3-5% всей содержащейся в клетке РНК. Это одноцепочечная молекула, образующаяся на одной из цепей ДНК в процессе так называемой транскрипции. При синтезе мРНК копируется только одна цепь молекулы ДНК. Механизм, определяющий, какая именно цепь будет при этом копироваться, до конца еще не выяснен. Возможно, что в этом процессе участвуют промотор и оператор (см. разд. 22.7.1). Нуклеотиды, из которых синтезируется мРНК, присоединяются к ДНК в соответствии с правилами спаривания оснований и при участии фермента РНК-полимеразы связываются между собой, образуя полинуклеотидную цепь мРНК. Последовательность оснований в мРНК представляет собой комплементарную копию цепи ДНК-матрицы; длина ее может быть различной в зависимости от длины полипептидной цепи, которую она кодирует. Самая короткая молекула мРНК состоит примерно из 300 нуклеотидов. Большинство мРНК существует в клетке лишь в течение короткого времени; в бактериальных клетках это время измеряется минутами, тогда как в эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина может продолжаться в течение нескольких дней после утраты ими ядра (значит, мРНК все это время сохраняется).
22.6.3. Рибосомная РНК
Рибосомная РНК, составляющая более 80% всей РНК клетки, была идентифицирована раньше других типов РНК. Она кодируется особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах и расположенными в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора. Последовательность оснований в рРНК сходна у всех организмов — от бактерий до высших растений и животных; рРНК содержится в цитоплазме, где она связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы, называемые рибосомами (см. разд. 7.2.6).
На рибосомах происходит синтез белка. Здесь "код", заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную последовательность строящейся полипептидной цепи. Рибосомы часто образуют группы, соединяясь друг с другом одной цепочкой мРНК. Такие группы — полирибосомы, или полисомы, — делают возможным одновременный синтез нескольких молекул полипептида при участии одной молекулы мРНК.
22.6.4. Транспортные РНК
Существование транспортных РНК (тРНК) было постулировано Криком и продемонстрировано Хоглендом в 1955 г. Для каждой аминокислоты имеется специфическая тРНК, и все они доставляют содержащиеся в цитоплазме аминокислоты к рибосомам. Таким образом, тРНК играют роль связующих звеньев между триплетным кодом, содержащимся в мРНК, и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. На долю тРНК приходится примерно 15% всей клеточной РНК; у этих РНК самая короткая полинуклеотидная цепь — в нее входит в среднем 80 нуклеотидов. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, число различных тРНК, переносящих определенные аминокислоты, значительно больше двадцати (идентифицировано уже 60). Все молекулы тРНК имеют сходную основную структуру, показанную на рис. 22.22.
Рис. 22.22. Модель строения транспортной РНК (тРНК). Молекула состоит из 80 нуклеотидов, но пар, образованных за счет комплементарного связывания, в молекуле только 20
На 5'-конце молекулы тРНК всегда находится гуанин, а на 3'-конце — группировка ЦЦА. Последовательность нуклеотидов в остальной молекуле варьирует и может содержать "необычные" основания, такие как инозин (И) и псевдоурацил (у). Последовательность оснований в триплете антикодона (рис. 22.22) строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии своей особой формы фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. В результате образуется комплекс аминокислоты с тРНК-аминоацил-тРНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотой достаточна для того, чтобы в дальнейшем могла образоваться пептидная связь с карбоксильной группой соседней аминокислоты. Таким образом синтезируется полипептидная цепь. В экспериментах с введением в бесклеточные экстракты