Генетические коды ПРОБЛЕМА КОДА Какие бы захватывающие дух открытия ни были сделаны в будущие двадц - пост # 334062

 

Сообщение от: 2013-07-29 04:15:42

Генетические коды ПРОБЛЕМА КОДА Какие бы захватывающие дух открытия ни были сделаны в будущие двадцать лет, выяснение механизма биосинтеза белка и расшифровка генетического кода останутся главными событиями в биологии XX века. Как только в 1953 г. появилась знаменитая двойная спираль Уотсона и Крика и стало ясно, что наследственная информация записана в виде последовательности нуклеотидов ДНК, сразу же возник вопрос: как эта запись прочитывается и используется в клетке? Ясной постановкой проблемы и привлечением к ней широкого внимания наука обязана Георгию Гамову. Этот выдающийся физик впервые сформулировал в 1954 году проблему генетического кода. Предстояло понять, как ДНК-овая последовательность, состоящая из четырех сортов нуклеотидов, переводится в белковую последовательность, состоящую из 20 сортов аминокислотных остатков. Гамов предложил вариант словаря, переводящего тексты с четырехбуквенного языка ДНК на двадцати-буквенный язык белка. Это был первый, пока чисто умозрительный, вариант генетического кода. Генетический код - ключ к пониманию того, как в клетке реализуется наследственная информация. Код определяет правила синтеза белка - наиболее фундаментального и универсального процесса, происходящего в живой клетке. Ведь именно от набора белков зависит работа клетки. Все ферменты - это белковые молекулы. Все небелковые компоненты клетки, включая молекулу ДНК, синтезируются, а в случае ДНК еще и копируются при помощи ферментов. Естественно, сам биосинтез белка идет с участием многочисленных белков-ферментов. Прежде всего, с помощью фермента, называемого РНК-полимеразой, с какого-то отрезка ДНК снимается копия в виде молекулы РНК. На участке, с которого снята копия, записаны сведения о строении одного белка. Этот участок и называют геном. РНК-овая копия гена получила название матричной РНК (ее сокращенно обозначают мРНК, чтобы не путать с некоторыми другими РНК, также участвующими в биосинтезе белка). Последовательность нуклеотидов в мРНК идентична последовательности нуклеотидов в скопированном участке ДНК, то есть это точный отпечаток гена. РНК-овый текст также состоит из четырех букв. Именно по нему и синтезируется белок. Происходит это в чрезвычайно сложно устроенном агрегате, включающем десятки различных белковых молекул и называемом рибосомой. Рибосома, кроме белка, состоит также из специальных, рибосомальных РНК (рРНК). Химическая структура этих РНК в принципе такая же, как у мРНК. Однако у них нуклеотиды расположены совсем в другом порядке. Конечно, эти рРНК также копируются с ДНК, то есть в ДНК есть специальные гены рибосомальных РНК. Так что гену вовсе не обязательно должен соответствовать какой-то белок. Рибосома пропускает через себя нить мРНК, читает текст, записанный в виде последовательности нуклеотидов на этой нити, и синтезирует соответствующую белковую, то есть аминокислотную, последовательность. Таким образом, именно на рибосоме язык нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) переводится на язык аминокислотной последовательности белков. Мы не будем здесь углубляться в детали этого очень интересного процесса, о котором теперь известно достаточно много. Отметим только, что важную роль в декодировании текста играет еще третий вид РНК - транспортные, или тРНК, которые переносят аминокислоты из цитоплазмы к рибосомам, то есть подтаскивают материал для построения белка. Итак, в клетке существует очень сложный механизм биосинтеза белка, реализующий генетический код. Но каков же сам код? На рубеже 50-х и 60-х годов Фрэнсис Крик и его сотрудники выяснили основные свойства кода. Было доказано, что код триплетный, то есть одной аминокислоте соответствует последовательность из трех нуклеотидов на мРНК. Эта тройка нуклеотидов была названа кодоном. Было показано, что текст, записанный в мРНК, считывается рибосомой последовательно, кодон за кодоном, начиная с некоторого начального, инициирующего кодона, по следующей схеме: мРНК …ААГА АУГ ГАУ УАУ ЦЦА АЦЦ ГЦЦ ЦЦГ УАУ белок a0 - a1 - a2 - a3 - a4 - a5 - a6 - a7 На этой схеме a0, a1, ...обозначают аминокислотные остатки белка. Напомним, что их может быть 20 сортов. А сколько сортов кодонов? Легко подсчитать, что всего существует 43 = 64 различных кодона. Так что же, не всякому кодону соответствует аминокислота? Да, не всякому. Но таких бессмысленных или незначащих кодонов очень немного, и они выполняют специальную функцию - служат стоп-сигналами, обозначают конец белковой цепи. Поэтому их еще называют терминирующими кодонами. Подавляющее же большинство из 64 кодонов соответствует какому-либо аминокислотному остатку. А это означает, что код вырожден - большинству, если не всем, аминокислотным остаткам должно отвечать несколько кодонов. КАК РАСШИФРОВАЛИ КОД К 1961 году стало ясно, что код триплетный, вырожденный и неперекрывающийся (то есть считывание происходит кодон за кодоном) и что он содержит инициирующие и терминирующие кодоны. Дело было лишь за тем, чтобы установить соответствие каждого аминокислотного остатка конкретным кодонам и узнать, какие кодоны обозначают начало и конец синтеза белковой цепи. Было совершенно ясно, что именно для этого требуется. Нужно "только" прочесть параллельно два текста - ДНК-овый (или РНК-овый) текст гена и аминокислотный текст соответствующего этому гену белка. Затем сличить эти два текста - и дело в шляпе. Вспомним, что именно так были когда-то расшифрованы египетские письмена. Но беда в том, что если белковые последовательности к этому времени умели расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК читать не умели. Поэтому пришлось пойти по иному пути. Представьте себе, что вместо Розеттского камня, на котором один и тот же текст был написан египетскими иероглифами и по-гречески, откопали бы во время наполеоновского похода в Египет живого древнего египтянина. Тогда не потребовался бы гений Шампольона, чтобы составить французско-древнеегипетский словарь. Достаточно было бы показывать египтянину различные предметы, а он рисовал бы соответствующие иероглифы. Именно этим принципом дешифровки кода и воспользовались М. Ниренберг и Дж. Маттеи в 1961 году. Ведь клетки-то знают код! Значит, надо предложить клеткам распознавать разные последовательности нуклеотидов, лишь бы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени как раз научились синтезировать кое-какие искусственные РНК (но отнюдь еще не любые!). Но, конечно, живой клетке такую РНК предлагать бесполезно - она ее просто-напросто съест, то есть расщепит до отдельных нуклеотидов, а их использует для строительства собственных РНК. Поэтому Ниренберг и Маттеи использовали не живые клетки, а клеточные экстракты, которые сохраняли способность синтезировать белок на РНК, но не содержали ферментов, расщепляющих РНК. Эти экстракты не умели, разумеется, многого другого, что умеет делать клетка, но важно лишь одно - они были способны синтезировать белок по внесенной извне РНК. Такие экстракты назвали бесклеточной системой. Ниренберг и Маттеи получили экстракт из кишечной палочки и добавили к нему гомополимер, состоящий только из урацилов. Так бесклеточной системе был задан первый вопрос: какой аминокислоте соответствует кодон УУУ? Ответ был однозначен: кодону УУУ отвечает фенилаланин. Этот ответ произвел настоящую сенсацию. Путь к расшифровке кода был открыт! Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако определять последовательность нуклеотидов в искусственных кодонах было довольно трудно. В то время еще не умели синтезировать даже короткие фрагменты с заданной последовательностью. Умели лишь получать полинуклеотиды со случайной последовательностью из смеси мономеров, да и то не из любой смеси. Начали думать, как попытаться иными способами расшифровывать кодоны. Но неожиданно произошел новый прорыв, и ситуация резко изменилась. Мы видели, что у истоков проблемы кода стоял физик, общие свойства кода были выяснены генетическими методами, после чего за дело взялись биохимики. Окончательно проблема была решена, когда на помощь биохимикам пришли химики-синтетики. К 1965 г. Хар Гобинд Корана научился синтезировать короткие фрагменты РНК с заданной последовательностью - сначала двойки (динуклеотиды), а потом тройки (тринуклеотиды). Для Кораны эта работа была первым шагом на долгом пути, приведшем в конечном счете к синтезу гена. Теперь его методы, значительно продвинутые вперед усилиями многих химиков, очень широко используются для получения искусственных генов в генной инженерии. Наиболее впечатляющим успехом на этом пути стал синтез гена инсулина человека. Этот ген содержит около 200 нуклеотидов, расположенных в строго заданной последовательности. Но пятнадцать лет назад об этом никто не мог и мечтать. Сенсацией тех лет, быстро завершившейся полной расшифровкой кода, был синтез ди- и тринуклеотидов. Из таких двоек и троек биохимическими методами, с помощью ферментов, синтезировали длинные полинуклеотиды, в которых эти двойки или тройки повторялись много-много раз. Затем полинуклеотиды со строго определенной и известной последовательностью добавляли в бесклеточную систему и определяли их соответствие белковым цепям. К 1967 году расшифровка генетического кода была окончательно завершена. Этот код изображен на рис. 1. В центральном круге таблицы обозначены первые нуклеотиды кодонов, в следующем - вторые, а затем третьи. На внешней части круга указаны соответствующие кодонам аминокислотные остатки. Символ Тер обозначает терминирующие кодоны. А где же инициирующие кодоны? Специальных инициирующих кодонов не- существует. Эту роль в определенных условиях играют кодоны АУГ и ГУГ, обычно отвечающие аминокислотам метионину и валину. ОСНОВНАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ КОДА Даже беглого взгляда на рис. 1 достаточно, чтобы заметить определенную закономерность. Вырожденность кода носит явно не случайный характер; то, какой аминокислоте будет соответствовать данный кодон, определяют главным образом два первых нуклеотида. Каков третий нуклеотид - не так уж важно. То есть, строго говоря, хотя код и триплетный, главную смысловую нагрузку несет дублет, стоящий в начале кодона. Иными словами, код квазидублетный. Эта главная особенность кода была замечена еще на самой ранней стадии его расшифровки. Конечно, дублетами нельзя закодировать все двадцать аминокислот, так как различных дублетов может быть всего 42 = 16. Поэтому третий нуклеотид в кодоне должен нести некоторую смысловую нагрузку. Рис. 1. Генетический код Существует, однако, правило, которому код подчиняется почти строго. Чтобы его сформулировать, нам надо вспомнить, что четыре нуклеотида - урациловый, цитозиновый, адениновый и гуаниновый - принадлежат по строению к двум разным классам - пиримидиновому (У и Ц) и пуриновому (А и Г) (см. рис. 2 и 3). Так вот, правило вырожденности кода состоит в следующем: если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида и их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и ту же аминокислоту. Рис. 2. Пиримидиновый класс Взгляните еще раз на таблицу кода, и вы убедитесь, что это правило выполняется очень хорошо. Но два исключения все же есть. Если бы сформулированное правило выполнялось совсем строго, то кодон АУА должен был бы отвечать метионину, а не изолейцину, а кодон УГА - триптофану, а не быть сигналом окончания синтеза. Рис. 3. Пуриновый класс На фото: Рис. 1. Генетический код Рис. 2. Пиримидиновый класс Рис. 3. Пуриновый класс Рис. 4. Код митохондрий


Ссылка: Генетические коды - Статьи о человеке - Каталог статей - Космическая Этика "Рассвет Сварога"