Природа генетичної коди

Генетична інформація, закодована в первинній структурі ДНК, переводиться ще в ядрі в нуклеотидную послідовність мРНК. Проте питання про те, яким чином ця інформація передається на білкову молекулу, довго не був з'ясований. Перші вказівки на існування прямої функціональної залежності між структурою гена і його продуктом — білком можна знайти у Ч. Яновського, який в серії витончених дослідів із застосуванням методів генетичного картирування і сективірування показав, що порядок змін в структурі гена мутанта триптофанситази у E. coli в точності відповідає порядку відповідних змін в амінокислотній послідовності молекули білка-ферменту.

Раніше було відомо, що молекули мРНК не володіють спорідненістю до амінокислот, тому для перекладу нуклеотидної послідовності мРНК на амінокислотну послідовність білків потрібний якийсь посередник, названий адаптором. Молекула адаптора повинна бути у свою чергу наділена здатністю дізнаватися нуклеотидну послідовність специфічної мРНК і відповідну амінокислоту. Володіючи подібною адапторною молекулою клітка може включати кожну амінокислоту у відповідне місце поліпептидного ланцюга, в строгій відповідності з нуклеотидною послідовністю мРНК. Залишається, таким чином, непорушним положення, що самі по собі функціональні групи амінокислот не володіють здатністю вступати в контакт з матрицею інформаційної мРНК.

Було показано, що в нуклеотидной послідовності молекули мРНК є кодові слова для кожної амінокислоти — генетичний код. Проблема, проте, зводиться до того, з чого складається цей таємничий код? Найімовірніше, він полягає в певній послідовності розташування нуклеотидів в молекулі ДНК. Питання про те, які нуклеотиди відповідальні за включення певної амінокислоти в білкову молекулу і яку кількість нуклеотидів визначає це включення, залишався невирішеним до 1961 р. Теоретичний розбір показав, що код не може складатися з одного нуклеотиду, оскільки в цьому випадку тільки 4 амінокислоти можуть кодуватися. Але код не може бути і дуплетним, тобто комбінація з двох нуклеотидів з чотирьохбуквеного алфавіту не може охоплювати всіх амінокислот, оскільки подібних комбінацій теоретично можливо тільки 16 (42=16), а до складу білка входять 20 амінокислот. Для всіх амінокислот білкової молекули було б досить узяти триплетний код, коли число можливих комбінацій складе 64 (43=64).

З приведених вище за дані М. Ніренберга стає очевидним, що Полі-у, тобто РНК, що гіпотетично вміщує залишки тільки одного уриділового нуклеотиду, сприяє синтезу білка, побудованого із залишків однієї амінокислоти — фенілаланину. На цій підставі був зроблений вивід, що кодоном для включення фенілаланину в білкову молекулу може служити триплет, що складається з 3 уриділових нуклеотидів, — УУУ. Незабаром було показано, що синтетична матрична поліцитиділова кислота (поли - Ц) кодує утворення поліпролину, а матрична поліаденілова кислота (поли-А) — полілізина. Відповідні триплети — ЦЦЦ і ААА — дійсно виявилися триплетами (названими кодонами) для кодування проліну лізину.

М. Ніренберг, С. Очоа и Х. Корану, користуючись штучно синтезованими мРНК, представили докази не тільки складу, але і послідовності триплетів всіх кодонів, відповідальних за включення кожній з 20 амінокислот білкової молекули.

Генетичний код для амінокислот є виродженим. Це означає, що переважне число амінокислот кодується з декількома кодонами, за винятком метіоніну і триптофану, решта амінокислот має більш за один специфічний кодон. Виродженність коди виявляється неоднаковою для різних амінокислот. Так, якщо для серину, аргініну і лейцину є по 6 кодових слів, то ряд інших амінокислот, зокрема глутамінова кислота, гістидин і Тирозин, мають по два кодони, а триптофан — тільки 1. Слід зазначити, що виродженність найчастіше стосується тільки третього нуклеотиду, тоді як для багатьох амінокислот перші два нуклеотиди є загальними. Цілком допустимо тому припущення, що послідовність перших два нуклеотидов визначає в основному специфічність кожного кодону, тоді як третій нуклеотид менш существен. Останнім часом з'явилися докази гіпотези два з трьох, що означає, що код білкового синтезу, можливо, є квазі- або псевдодуплетним. Є докази, що вырожденность генетичної коди має безперечний біологічний сенс, забезпечуючи організму ряд переваг. Зокрема, вона сприяє " вдосконаленню" генома, оскільки в процесі мутації можуть наступати різні амінокислотні заміни, найбільш цінні з яких відбираються в процесі еволюції.

Іншою відмітною особливістю генетичної коди є його безперервність, відсутність розділових знаків, тобто сигналів, вказуючих на кінець одного кодону і почало іншого. Іншими словами, код є лінійним, що не уривається: АЦГУЦГАЦЦ. Це властивість генетичної коди забезпечує синтез надзвичайно впорядкованої послідовності молекули білків. У всіх інших випадках послідовність нуклеотидов в кодонах порушуватиметься і приводитиме до синтезу " безглуздого" поліпептидного ланцюга із зміненою структурою. Слід вказати на ще одну особливість коди — його універсальність для всіх живих організмів: від Е. соli до людини.

Серед 64 мислимих кодонів сенс має 61, тобто кодує певну амінокислоту. В той же час три кодони, а саме УАГ, УАА, УГА є безглуздими, нонсенсом-кодоном, оскільки вони не кодують жодної з 20 амінокислот. Проте ці кодони не позбавлені сенсу, оскільки виконують важливу функцію в синтезі білка в рибосомах (функцію закінчення, термінації синтезу).

При дослідженні генетичної коди в дослідах in vivo були також отримані докази універсальності коди. Проте останнім часом з'ясовані деякі відмінності коди в мітохондріях еукаріот тварин, включаючи людину, що відрізняється чотирма кодонами від генетичної коди цитоплазми, навіть тих же кліток. Зокрема, АУГ, що є зазвичай ініціаторним кодоном, кодує також метіонін в ланцюзі, і УГА, що є нонсенсом-кодоном, кодує в мітохондріях триптофан. Крім того, кодони АГА і АГГ є для мітохондрій що швидше термінують, а не що кодують аргінін. Як результат цих змін, для прочитування генетичної коди мітохондрій потрібний менше за разных тРНК, тоді як система цитоплазми трансляції володіє повним набором тРНК.