ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ЕГО СВОЙСТВА Пдан 1.Расшифровка генетического кода. 2.Свойства генетического кода.

1. РАСШИФРОВКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА Многообразие жизни обусловлено разнообразием белковых молекул, выполняющих различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком располо-жения аминокислот в пептидных цепях. Эти качества белков зашифрованы в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Первая гипотезы о строении генетического кода появилась уже в 1954 г. Г. Гамов предположил, что кодирование ин- формации в молекулах ДНК осуществляется сочетаниями нес- кольких нуклеотидов. Очевидно, что однозначного соответ- ствия «1 нуклеотид - 1 аминокислота» в коде быть не может. Дуплетный код «2 нуклеотида – одна аминокислота» обеспе- чивает кодирование лишь 16 аминокислот. Лишь триплетный код обеспечивает шифровку 20 различных аминокислот - каждой аминокислоте соответствует три, рядом стоящие, нуклеотида. Четыре нуклеотида образуют 4 3 = 64 триплета.

В 1961 г. биохимики М. Ниренберг и Г. Маттеи изучали син- тез белков в бесклеточной системе E.coli. В каждой из 20 проби- рок имелись все клеточные компоненты бактерии (кроме нукле- иновых кислот) и все 20 аминокислот, одна из которых содер- жала радиоактивную метку. В одном из экспериментов в каче- стве матрицы добавили в реакционную смесь полиуридиловую кислоту (РНК, состоящую из урацилового нуклеотида). В ре- зультате в 1000 раз увеличилось включение меченой аминокис- лоты фенилаланина. Значит кодон UUU кодирует фенилаланин. Параллельно с Нирнбергом и Маттеи начал изучать генети- ческий код С. Очоа. С помощью фермента полинуклеотид-фос- форилазы (за его открытие Очоа в 1959 г. получил Нобелевскую премию) были синтезированы полинуклеотиды заданного сос- тава. Эти матрицы стимулировали включение других меченых аминокислот в определенных пропорциях (табл. 1).

Таблица 1 Частоты образования различных триплетов при случайном сочетании нуклеотидов в искусственно синтезированных полирибонуклеотидах при относительном составе аденина и цитозина в реакционной смеси 5А : 1Ц Состав трипле та Теоретическая частота триплета Рассчитанные частоты встречаемости триплетов Включались аминокислоты в полипептид Соотношение аминокислот в полипептиде ААА(5/6) 3 = 125/216100Лизин100 2А1Ц(5/6) 2 х (1/6) х 3 = 75/ Аспарагин, глутамин, треонин 20 : 20 : 24 1А2Ц(5/6) х (1/6) 2 х 3 = 15/ Гистидин, пролин, треонин 4 : 4,8 : 24 ЦЦЦ(1/6) 2 = 1/2160,8Пролин4,8

В 1964 г М. Ниренберг и Ф. Ледер разработали метод связывания на рибосомах в бесклеточной системе аминоацил-т-РНК (комплексов тРНК с ами- нокислотами, которые обеспечивают синтез поли- пептида в рибосоме) с небольшими сннтетическими олигорибонуклеотидами (состоящими из 2-х и 3-х нуклеотидов) с заданным порядком оснований. Все динуклеотиды оказались неэффективными в связы- вании т-РНК. Тринуклеотиды же обеспечивали при- соединение аминокислот к строящейся полипеп- тидной цепи. Тем самым окончательно была дока- зана триплетность кода. Метод позволял перепро- бовать и все триплеты по одному. В результате уже через год были испытаны все 64 триплета. Почти все они были признаны кодирующими (Табл. 2).

Первый нуклеотид триплета * Второй нуклеотид триплета Третий нуклеотид триплета * У(А)Ц(Г)А(Т)Г(Ц) У(А) Фен Лей Сер Тир Терм.2 Тарм.1 Цис Терм.3 Трп У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц) Ц(Г) Лей Про Гис Глн Арг У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц) А(Т) Иле Мет Тре Асн Лиз Сер Арг У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц) Вал Ала Асп Глу Гли У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц)

2.СВОЙСТВА КОДА. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; а 3 триплета (АТТ, АЦТ, АТЦ) получили наз- вание бессмысленных, или «нонсенс-триплетов» Они не шиф- руют аминокислот, но выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. Обращает на себя внимание избыточность кода, проявляюща- яся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение: мутацион- ные изменения молекулы ДНК типа замены одного нуклеоти- да на другой далеко не всегда изменяет смысл триплета. Воз- никшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов часто кодирует ту же самую аминокислоту. Иными словами, вырожденность кода повышает его запас прочности в случае возникновения генных мутаций.

Другое свойство кода - специфичность - каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту. Универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий и пластид. Это свидетельствует в пользу дивергентности эволю- ции кода на ранних этапах существования жизни. В мито- хондриальных ДНК различных видов организмов отмечается общая особенность: триплет АЦТ не является нонсенс- триплетом, а кодирует, как и АЦЦ, аминокислоту триптофан. Другие особенности митДНК специфичны для различных видов организмов. У дрожжей триплет ГАТ и, возможно, все семей- ство ГА кодирует вместо аминокислоты лейцина треонин. У млекопитающих триплет ТАГ имеет то же значение, что и ТАЦ, и кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина. Триплеты ТЦГ и ТЦЦ в ДНК митохондрий некоторых видов не кодируют являются нонсенс-триплетами.

Наряду с триплетностью, вырожденностью, специ- фичностью и универсальностью важнейшими харак- теристиками генетического кода являются его непре- рывность и неперекрываемость кодонов при счи- тывании. Это означает, что последовательность нук- леотидов считывается триплет за триплетом без про- пусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т. е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости ге- нетического кода является замена только одной ами- нокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 23 рядом стоящих аминокислот в пептидной цепи.

Вопросы и задания 1. Почему генетический код не может быть дуплетным? 2. Что такое бесклеточная система? Какие компоненты она должна содержать для изучения генетического кода? 3. Какой полипептид будет синтезироваться в бесклеточ- ной системе, если в неё включить полиадениловый олигонуклеотид? 4. Выпишите в таблице все свойства генетического кода и дайте им определения. 5. Что такое нонсенс-триплет? Какие мутации генов называются нонсенс-мутациями 6. Что такое аминоацил-тРНК?