Генетический код. Биосинтез белка в клетке

Генетический код. Биосинтез белка в клетке

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий. Даже особи одного вида различаются по многим свойствам и признакам: морфологическим, физиологическим, биохимическим.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяются в конечном счете набором белков. Чем ближе организмы друг к другу в систематическом положении, тем более сходны их белки.

К середине XX века учёными было установлено, что белки представляют собой последовательность аминокислот, соединённых пептидными связями, а гены, входящие в состав хромосом ядра каждой клетки, определяют наследование физических и физиологических признаков организма и управляют синтезом белков.

Таким образом, в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК заключена генетическая информация о первичной структуре всех белков не только одной клетки, но и всего организма.

Для всех живых организмов свойственен общий универсальный способ кодирования последовательности аминокислот в белках при помощи нуклеотидной последовательности молекул ДНК. Этот способ кодирования называется генетическим кодом. На сегодняшний момент генетический код расшифрован генетиками, и составлена карта генетического кода.

Впервые расшифровка кода наследственности была предложена в 1954 г. физиком Джорджем Гамовым, который утверждал, что каждую аминокислоту белка кодируют три последовательно расположенных нуклеотида – триплет, или кодон. Известны все кодоны 20 аминокислот, входящих в состав белков. Так как в состав нуклеотидов ДНК могут входить 4 азотистых основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин), а одну аминокислоту кодируют три нуклеотида, не трудно посчитать, что ДНК может кодировать 43, т.е. 64 аминокислоты. Но всего нужно кодировать 20 аминокислот. Оказалось, что некоторые аминокислоты могут кодировать не один, а несколько разных кодонов. Подобное явление получило название вырожденности генетического кода. Считается, что таким образом повышается надёжность хранения и передачи информации от материнской клетки к дочерним.

Некоторые кодоны не несут смысловой нагрузки и не кодируют ни одну аминокислоту. Три таких кодона – УАА (читается урацил, аденин, аденин,), УАГ (урацил, аденин, гуанин) и УГА (урацил, гуанин, аденин) ограничивают один ген от другого, т.е. обозначают начало или конец гена. Такие кодоны называются кодоны терминации (стоп-кодоны).

Один триплет может кодировать только одну аминокислоту, что говорит о специфичности генетического кода.

Заслуга расшифровки генетического кода принадлежит испанскому биохимику СевЕро ОчОа, который в 1955 г. постепенно установил строение многих триплетов, кодирующих аминокислоты. Он расшифровал триплетный код для 11 аминокислот. Работы ОчОа доказывают универсальность генетического кода.
В 1959 г. ученому была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине, которую он разделил со своим студентом и сотрудником Артуром Корнбергом.
В 1961 году сотрудники Пастеровского института Франсуа Жакоб и Жак Моно выдвинули гипотезу о механизмах биосинтеза белков в клетке, согласно которой ДНК управляет синтезом белков опосредованно. Посредником выступает особая молекула РНК, структура которой представляет собой как бы отпечаток структуры молекулы ДНК. За это открытие учёные получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1965 году.

Биосинтез белка является одним из важнейших этапов метаболизма клетки, который осуществляется путём реализации наследственной информации. Наследственная информация о структуре белков, которую должна синтезировать клетка, сосредоточена в молекулах ДНК, расположенных в ядре. Непосредственно процесс синтеза белков происходит в цитоплазме на рибосомах. Закодированная информация о структуре белка поступает из ядра к рибосомам в виде молекулы информационной РНК, которая имеет небольшие по сравнению с ДНК размеры и свободно проходит сквозь поры ядерной мембраны.

Первый этап синтеза белка – транскрипция, заключается в «переписывании» генетической информации о структуре синтезируемого белка с молекулы ДНК на иРНК. Под воздействием особых ферментов двойная спираль молекулы ДНК раскручивается на отдельном участке и нити молекулы разъединяются. Участок одной из цепочек ДНК играет роль матрицы, на которой по принципу комплементарности и при участии специфического фермента РНК-полимеразы синтезируется молекула иРНК.

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промОтором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки и-РНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать и-РНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

Кроме наследственной информации, для синтеза белка необходим определённый набор аминокислот. Некоторые аминокислоты организм синтезирует сам, но большинство образуются в результате расщепления белков, поступающих в организм с пищей. Аминокислоты доставляются к рибосомам специальными транспортными РНК, каждая из которых может захватывать и переносить только одну определённую аминокислоту.

На рибосомах осуществляется второй этап биосинтеза белка – трансляция, который представляет собой перевод нуклеотидной последовательности молекулы  иРНК в последовательность аминокислот белковой молекулы.иРНК соединяется с рибосомой тем концом, с которого начнётся синтез белка. Началом подавляющего количества белковых молекул является триплет АУГ (читается аденин, урацил, гуанин), который кодирует аминокислоту метионин.

Продвигаясь по иРНК, рибосома последовательно считывает информацию с каждого её участка размером в 2 кодона, (т.е. 3+3= 6 нуклеотидов каждый участок) задерживаясь на 0,2 секунды. За это время рибосома взаимодействует с двумя молекулами тРНК, антикодон которых комплементарен кодонам иРНК, перекрытым рибосомой. Аминокислота отделяется от тРНК и включается в структуру синтезируемой белковой цепи. Достигнув стоп-кодона, рибосома прекращает синтез белка. Синтезированный белок отделяется от рибосомы и выходит в цитоплазму.

Весь цикл процессов, связанных с синтезом одной белковой молекулы, занимает в среднем 1-3 с. При этом на одной молекуле иРНК одновременно располагаются несколько рибосом (такой комплекс называется полисомой) – это обеспечивает одновременный синтез сразу нескольких одинаковых молекул белка. По окончании синтеза белка рибосома связывается с другой иРНК и начинает синтезировать новый белок.

Рибосомы воспринимают генетическую информацию в виде молекул иРНК и, будучи запрограммированы последними, делают белки в точном соответствии с данной программой. Поэтому, если в генетическом аппарате клетки возникают нарушения в следствии мутации или поражения клетки вирусной нуклеиновой кислотой, рибосомы начинают синтезировать не свойственные для клетки данного типа белки, в том числе такие, которые могут привести к её гибели.