Биосинтез белков

Ген и его роль в биосинтезе.

Белки являются важнейшими компонентами живого не только потому, что составляют большую по массе часть клетки, но и потому, что обеспечивают ее функциональную активность и уникальность. Каждая клетка имеет набор своих специфических белков, которые характерны конкретно для этой клетки. Он отличается как от набора белков клеток других организмов, так и от набора белков, свойственных клеткам других тканей данного организма, т.к. в каждой клетке осуществляется синтез специфичных именно для нее белков. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, сохраняется в ядре, «записана» эта инфомация в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Часть молекулы ДНК (участок ДНК), последовательность нуклеотидов, определяющая последовательность аминокислот в данном белке, называется геном. В молекуле ДНК в зависимости от эволюционного пути, который прошел данный организм, может содержаться от сотен до десятков тысяч генов.

Код ДНК.

Рассмотрим, каким образом последовательность нуклеотидов может определять последовательность аминокислот. Известно, что молекула ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов, таким образом информацию в ДНК можно записать четырьмя буквами (А, Г, Т, Ц). Для кодирования одной аминокислоты, как показывает простой математический расчет, требуется более одного нуклеотида, поскольку в белках обнаруживается 20 различных аминокислот. Т.к. из 4 нуклеотидов можно сделать только 16 различных сочетаний по два нуклеотида (4² = 16), что менее 20, то кодирующая аминокислоту последовательность должна состоять более, чем из двух букв. Если же записывать кодирующее «слово» сочетанием  из трех букв (нуклеотидов), то в этом случае число различных вариантов уже составляет 64 (4³ = 64), что явно больше 20. Таким образом, комбинации из трех нуклеотидов (триплетный код) будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих определенные аминокислоты, называют кодом ДНК или иначе генетическим кодом.

В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, т.е. известно, какие именно триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот, входящих в состав белка. Используя комбинацию, состоящую из трех нуклеотидов, можно создать существенно большее количество кодирующих «слов», чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказывается, что любая аминокислота кодируется более, чем одним триплетом, т.е. генетический код является вырожденным (избыточным). Так, к примеру, аминокислота фенилаланин может кодироваться не только последовательностью УУУ (код иРНК), но и последовательностью УУЦ. Существует только две аминокислоты (триптофан и метионин), которые кодируются одним триплетом. Необходимо заметить, что значение слова «вырожденный» не значит «неточный», т.к. один триплет не может кодировать две разные аминокислоты. Таким образом, генетический код однозначен.

Последовательность трехбуквенных кодовых слов определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Существенной особенностью генетического кода является то, что в нем отсутствуют сигналы, отделяющие одно кодирующее «слово» (его называют кодоном) от другого. Поэтому начало считывания информации должно находиться в правильном месте молекулы ДНК (РНК) и последовательно продолжаться от одного кодона к другому. В противном случае последовательность нуклеотидов окажется измененной во всех кодонах.
Это подтверждается появлением мутаций, причина которых в выпадении из последовательности (делеция), либо, наоборот, встраивании в нее (вставка) одного или двух нуклеотидов. При таких мутациях из-за сдвига рамки считывания синтезируется дефектный белок. Другой случай, если происходит выпадение или вставка трех нуклеотидов. На основе такого гена синтезируется белок, отличающийся от нормального лишь отсутствием одной аминокислоты (делеция 3-х нуклеотидов) или появлением дополнительной аминокислоты (вставка 3-х нуклеотидов).

Еще одной особенностью генетического кода является то, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а своеобразные «знаки препинания». Они выполняют роль стоп-сигналов, сигнализирующих об окончании синтеза полипептидной цепи. Генетический код универсален, т.е. триплеты, которые кодируют одинаковые аминокислоты, одинаковы для всех живых организмов. Один и тот же кодон кодирует определенную аминокислоту и у человека, и и у вируса, и у растения. Следовательно, генетический язык одинаков для всех видов.

Универсальность генетического кода свидетельствует о том, что он возник в процессе генетической эволюции почти в том виде, в котором существует и сегодня. Вырожденность кода относится только к третьему основанию кодона:  серин, например,  кодируется триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ. Таким образом, кодирование определенной аминокислоты определяется главным образом двумя первыми буквами. Из этого можно сделать предположение, что сначала генетический код был дуплетным и содержал информацию только о 16 (а, возможно, и менее) аминокислотах.

Реакции матричного синтеза.

Реакции матричного синтеза представляют собой реакции, которые идут с использованием матрицы. Матрица представляет собой готовую структуру, в соответствии с которой происходит синтез новой структуры. Для синтеза белковых молекул необходимо осуществление реакций двух типов: транскрипции, которая необходима для переноса генетической информации из ядра в цитоплазму, и трансляции. Кроме того, к реакциям матричного синтеза относится реакция самоудвоения ДНК (репликация). При синтезе ДНК и синтезе иРНК в качестве матрицы используется одна из цепей ДНК, на которой происходит образование комплементарной ей цепи. Таким образом, в результате реакций матричного синтеза образуются структуры, построенные по строго определенному плану. Реакции матричного синтеза встречаются только в живой природе, в результате них происходит передача информации от одного поколения живых организмов, к другому (репликация), а также синтез молекул белков в соответствии с той информацией, которая «записана» в генетическом материале.

Перейти к оглавлению.