Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ IV. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ СПАДКОВОСТІ ТА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

ГЛАВА 21. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ У РИБОСОМАХ

21.1. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД ТА ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ

Для кожного живого організму властива біохімічна індивідуальність, що визначається генетично запрограмованим специфічним набором притаманних тільки йому білкових молекул. Разом з тим, потік інформації, який детермінує структуру індивідуальних білків організму, починається, згідно з постулатами молекулярної біології, від генетичних нуклеїнових кислот і складається з реплікації ДНК, транскрипції РНК та трансляції, тобто перекладу інформації з “мови нуклеотидів” на “мову амінокислот”.

Інакше кажучи, встановлення ролі ДНК як носія та зберігача генетичної інформації, ролі РНК як переносника цієї інформації до білків, що синтезуються, поставило на порядок денний проблему генетичного (біологічного) коду, тобто сукупності знаків, символів та системи правил, алгоритмів, згідно з якими структурна інформація, що міститься в нуклеїнових кислотах, може бути трансформованою в специфічну первинну структуру поліпептидів, яка, в свою чергу, визначає всі біологічні властивості білкових молекул.

Структура генетичного коду

Вперше гіпотезу про те, що певні сполучення з декількох різних нуклеотидів (трьох із чотирьох можливих) в молекулах ДНК відповідають одній амінокислоті в молекулах білків та пептидів, було висунуто в 1954 р. фізиком Георгієм (Джорджем) Гамовим (G.Gamow). Згідно з цією триплетною теорією, три послідовні нуклеотиди (триплети) в полінуклеотидних ланцюгах ДНК кодують включення в поліпептидний ланцюг одного специфічного амінокислотного залишку. Оскільки з 4 нуклеотидів (або азотистих основ) можна отримати 64 (43) різних комбінацій по 3 нуклеотиди (або азотистих основи, відповідно), був зроблений висновок про існування щонайменше 64 “кодових слів” для 20 амінокислот.

Структуру генетичного коду було розшифровано завдяки безпосереднім біохімічним та молекулярно-генетичним дослідженням, що були виконані на початку 60-х років. Оскільки переносником генетичної інформації від ДНК до білків є інформаційні (матричні) РНК, проблему розшифровки генетичного коду було зосереджено на розв’язанні кодових слів — триплетів, або кодонів, у нуклеотидних послідовностях мРНК. Найбільш визначний внесок у розв’язання цієї проблеми зробив в 1961 р. американський біохімік М. Ніренберг (M. Nirenberg).

Рис. 21.1. Ніренберг (Nirenberg) Маршал У. (народ. 1927 р.), американський біохімік. Зробив найзначніший внесок у розшифровку генетичного коду. Нобелівська премія (1968).

В експериментах М. Ніренберга використовувалась безклітинна система з E. Coli, яка містила в собі необхідні для білкового синтезу рибосоми, амінокислоти, тРНК, цитозольні ферменти та кофактори. Виявилося, що при внесенні в систему як матриці синтетичної мРНК поліуридилової кислоти відбувався синтез монотонного (такого, що складався з одного амінокислотного залишку) поліпептидуполіфенілаланіну. Відповідно, використання поліаденілової кислоти (полі-А) призводило до синтезу полілізину, поліцитидилової кислоти (полі-С) — поліпроліну тощо. Виходячи з уявлень про кодони як триплети нуклеотидів (або азотистих основ), зазначені експерименти означали розшифровку відповідних кодонів, а саме:

Було встановлено, що з 64 комбінацій нуклеотидів 61 кодон є змістовним, тобто таким, що визначає включення до складу білка певної амінокислоти, а 3 кодони — беззмістовними, тобто такими, що не кодують жодної з амінокислот. Ці нонсенс-кодони(UAA, UAG, UGA) виконують роль сигналів термінації трансляції (таблиця 21.1).

Таблиця 21.1. Таблиця генетичного коду

Перший

Другий

нуклеотид

Третій

нуклеотид

U

С

A

G

нуклеотид

U

C

U

A

G

U

C

C

A

G

U

C

A

A

G

U

C

G

A

G

Властивості генетичного коду:

(1) код є універсальним для всіх біологічних систем — вірусів, бактерій, вищих організмів;

(2) код є однонаправленим, тобто інформативним тільки в тому випадку, коли зчитується “зліва направо” (в напрямку 5'→3');

(3) код є безперервним, тобто має лінійний безперервний порядок зчитування — між кодонами немає “розділових знаків”;

(4) код є таким, що не перекривається — після зчитування інформації з одного триплета “рамка зчитування” переміщується вправо відразу на три нуклеотиди;

(5) код є “виродженим”, тобто кожна амінокислота кодується не одним, а декількома кодонами.