Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

6.7. Генетический код

Открытие в 1953 г. двухцепочечной структуры ДНК инициировало вопрос о соответствии, возможно существующем между, с одной стороны, вариативной частью ДНК, т.е. четырьмя азотистыми основаниями, и, с другой стороны, 20 стандартными аминокислотами, входящими в состав белков, обладающих исключительно важными для жизнедеятельности организмов функциями, актуальными, в частности, при обмене веществ. Такое соответствие назвали генетическим кодом.

В 1954 г. Дж. Гамов высказал убеждение, что генетический код должен быть триплетным. Дело в том, что из четырех аминокислот можно составить 16 (42) дуплетов, 64 (43) триплетов и 256 (44) квартетов. 16 дуплетов недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Вариант с 256 квартетами считался нереальным в силу редко демонстрируемой природой расточительности. В случае же приемлемого варианта с 64 триплетами возникал вопрос о возможной бессмысленности 44 (64—20) триплетных кодонов. Как это часто бывает в науке, гипотетические предположения нуждались в экспериментальном подтверждении. Применительно к проблеме генетического кода решающее значение имел эксперимент Ниренберга — Маттеи, проведенный в мае 1961 г.

Эксперимент Ниренберга — Маттеи

Экспериментаторы смешали компоненты, необходимые для синтеза белка, а именно короткие мРНК с известными последовательностями азотистых оснований, ферменты и смесь из 20 аминокислот, одна из которых в каждом эксперименте была помечена радиоактивным азотом. Продукты реакции просеивались через фильтр, который пропускал исключительно свободные кислоты, но не вновь синтезированные. Затем исследовался фильтрат на предмет содержания им радиоактивных материалов, пропущен ли он фильтром или же задержан им. Если он задерживался фильтром, то это означало, что он был вовлечен в процесс синтеза. Эксперимент показал, что мРНК с последовательностью из трех урациловых оснований (UUU) задерживает исключительно фенилаланин. Именно он, предварительно отмеченный радиоактивным азотом, фиксировался в составе фильтрата. Отсюда следовало, что триплет UUU соответствует фенилаланину.

Разработав экспериментальные методы выделения кодонов, которые постоянно совершенствовались, биологи добивались одного успеха за другим. К 1965 г. генетический код был полностью расшифрован. За 1968 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена трем ученым Р. Холли, Х. Г. Корана и М. Ниренбергу с формулировкой: «за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков». Безусловно, эту премию заслуживали и многие другие биологи. Научное сообщество расценило расшифровку генетического кода как важнейшее научное открытие XX столетия. Было создано нечто вроде таблицы Менделеева для молекулярной генетики.

Генетический код записывают как в табличной, так и в круговой форме (табл. 6.6 и рис. 6.10).

Итак, как выяснилось, природа использовала все 64 триплетные кодона. Один из них, а именно AUG, знаменует собой начало трансляции. Три

261

других — UAA, UGA и UGG — останавливают ее, причем они не являются идентичными друг другу. Одной и той же кислоте может соответствовать несколько кодонов. Рекордсменами являются в этом отношении лейцин, аргенин и серин: они кодируются шестью триплетами. Всего одним триплетом кодируются метонин и триптофан. Для кодирования многих кислот решающее значение имеют первые два основания, третье варьируется. Следовательно, применительно к рассматриваемым аминокислотам мутации будут проявляться лишь в случае, если они приводят к замене первых двух оснований.

Названия аминокислот: Ala — аланин, Arg — аргинин, Asn — аспарагин, Asp — аспарагиновая кислота, Cys — систеин, Fhe — фенилаланин, Gln — глутамин, Glu — глутаминовая кислота, Gly — глицин, His — гистидин, Ile — изолейцин, Leu — лейцин, Lys — лизин, Met — метионин, Pro — пролин, Ser — Серин, Thr — треонин, Trp — триптофан, Tyr — тирозин, Val — валин.

Стоит отметить, что существуют некоторые отклонения от стандартного генетического кода. Они свидетельствуют о том, что не следует биологические законы считать однозначными, им всегда присуща некоторая вариативность. Порой она воспринимается с недоумением, не ошибается ли

262

Рис. 6.10. Стандартный генетический код, записанный в круговой форме

Выводы

•Генетически код устанавливает соответствие между четырьмя азотистыми основаниями РНК и 20 стандартными аминокислотами.

•Каждой аминокислоте соответствует некоторое число триплетов (от 1 до 6).

Вкодировании задействуются все 64 триплеты. Три из них соответствуют прекращению синтеза белка.

•Генетический код универсален, он характерен для всех живых организмов.

•Определенный кодон соответствует только одной аминокислоте.

•Информация с кодонов считывается непрерывно, как выражаются биологи, без запятых.

•Существуют известные отклонения от стандартного генетического кода. Смысл некоторых из них изучен недостаточно.

6.8. Трансляция белка

Материал двух предыдущих параграфов позволяет перейти к рассмотрению механизма синтеза белка, который совершается в рибосомах, органоидах, состоящих из двух субединиц, большой и малой. Матрицей биосинтеза (трансляции) является мРНК. Трансфер аминокислот, необходимых для

263

биосинтеза, осуществляют тРНК. Многоступенчатый синтез белка реализует соответствующая система, компоненты, которой указаны в табл. 6.7.

Исключительно актуальную роль играют в процессе синтеза тРНК. Транскрипция, рассмотренная в параграфе 6.6, приводит к образованию незрелой тРНК (пре-тРНК), она, по определению, обладает первичной структурой. Посредством процессинга пре-тРНК трансформируется в зрелую тРНК. Процессинг включает много стадий, в эукариотах это в частности добавление последовательности ССА на 3’-конец, вырезание интронов (сплайсинг), модификация отдельных нуклеотидов (всего их в молекуле тРНК от 73 до 95). Зрелая тРНК транспортируется в цитоплазму клетки, где она начинает принимать участие в синтезе белка (сначала вне рибосомы). На рис. 6.11 изображена вторичная структура молекулы тРНК, состоящая из 76 нуклеотидов.

Каждая часть молекулы т-РНК обладает специфическими функциями. Акцепторный стебель заканчивается триплетом АСС, именно к нему присоединяется аминокислота. D-петля распознается аминоациол-тРНК- синтетазой. Т-петля распознается рРНК. А антикодон, нуклеотиды 34—36, присоединяется к кодону м-РНК. Функции дополнительной петли не выяснены. Высказываются предположения, что она дополняет функции Т- и D-петель и вместе с ними определяет устойчивость пространственной структуры всей молекулы.

Условием биосинтеза белка является прикрепление к тРНК именно той аминокислоты, которая соответствует антикодону. Для каждой из 20 аминокислот существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Она обеспечивает следующую реакцию:

тРНК + Аминокислота + АденозинтрифосфатАминоацил-тРНК + Адезинмонофосфат + Пирофосфат.

264

3

76

75

74

5 73

172

271 Акцепторный

3 70 стебель

469

568

667

Рис. 6.11. Вторичная структура т-РНК

Аминоацил-тРНК — это тРНК с прикрепленной к ней аминокислотой, дальнейшая судьба которого связна с инициацией, элонгацией и терминацией синтеза белка на рибосоме.

Инициация проходит в эукариотах и прокариотах по-разному. Но, в конечном счете, в обоих случаях получается сходный результат. Состоит же он в том, что, во-первых, малая субъединица рибособы присоединяется к AUG- кодону мРНК, который кодирует метонин. Во-вторых, сюда же привлекается инициативная аминоацил-тРНК. В-третьих, к малой субъединице присоединяется большая субъединица. После этого наступает этап элонгации.

На рис. 6.12. изображены две субъединицы рибосомы, большая и малая, обхватывающие мРНК, состоящей из триплетных кодонов, которые распознаются антикодонами амионоацил-тРНК (на рисунке они представлены трезубцами). Аминокислоты в составе аминоацил-тРНК изображены в виде

265

кружочков. Рибосома формирует два участка А и Р. Участок А предназначен для приема аминоацил-тРНК. На участке Р происходит заключительная фаза образования пептидной группы, состоящей из нескольких аминокислот.

Рис. 6.12. Элонгационный цикл синтеза белка

В исходном положении, наступившем после инициации трансляции, на P-участке находится метонин-тРНК. Метонин кодируется триплетом AUG, он находится на «хвосте» тРНК. Соседний А-участок пуст, но он в известной степени активирован. Это означает, что из всех аминоацилтРНК преференцию имеет та, которая содержит аминокислоту, соответствующую, согласно избранному примеру, кодону UAC. В нашем случае это тирозин-тРНК. Именно эта аминоацил-тРНК притягивается к UAC кодону. Общее число кодонов и, соответственно, антикодонов, одинаково, а именно равно 64. Три из них кодируют остановку трансляции. Это означат, что общее число аминоацил-тРНК равно 61 ( 64—3). Число же тРНК, необходимое для обеспечения функционирования аминоацил-тРНК меньше 61 и составляет от 41 до 50. Дело в том, что аминоацил-тРНК может переносить несколько аминокислот, а именно таких, кодоны которых отличаются лишь третьим основанием триплета.

Первая стадия элонгации состоит в том, что к Р-участку присоединяется новая аминоацил-тРНК, которая, как уже было отмечено, является тирозин-тРНК. Рассматриваемая связь совершается под влиянием белковых факторов и гуазинтрифосфата (ГТФ).

Вторая стадия элонгации состоит в том, что аминоацил-тРНК превращается в пептидил-тРНК (трезубец с двумя кружками). Это означает, что к аминокислоте, находящейся на А-участке, присоединяется аминокислотный состав того образования, который находится в Р-зоне. Пептизация происходит также на А-участке, причем для ее осуществления не требуется привлечение дополнительных энергетических факторов. На P-участке остается свободная, т.е. не нагруженная аминокислотой, т-РНК.

Третья стадия элонгации состоит в том, что рибосома сдвигает мРНК на один триплет (она приближает к себе 3’-конец). Указанная стадия называется транслокацией. Она также происходит под воздействием белковых факторов и ГТФ. В результате транслокации пептил-тРНК оказывается на P-участке. Ранее находившаяся в ней свободная тРНК вытесняется из нее (она выполнила свои функции, ей больше нечего делать на Р-участке). Она возвращается в цитоплазму. Что касается А-участка,

266

то он готов к приему новой аминоацил-тРНК. Применительно к тому случаю, который изображен на рис. 6.12, это аланин, ибо GCU является именно его кодоном. Итак, первый цикл элонгации закончился. Все последующие циклы элонгации будут реализовываться в три стадии: 1) связывание аминоацил-тРНК с А-участком, 2) ее превращение в пептидил-тРНК и 3) перемещение на Р-участок (транслокация).

Окончание элонгации (терминация) наступает после того, как в А-участок попадает один из трех стоп-кодонов UAA, UAG, UGA. Это событие сопровождается действием белковых и ГТФ-азных факторов, последствием которого является диссоциация рибосомы на ее субчастицы и высвобождением всех других участников процесса биосинтеза белка. Первичная структура белка в форме полипептидной цепи образуется в рибосоме. Под воздействием белковых факторов она в дальнейшем модернизируется в цитоплазме.

Выводы

•Полипептидная цепь белка образуется в рибосомах посредством процесса трансляции кода мРНК.

•В этом процессе исключительно актуальную роль играет транспортные РНК, каждая из частей которых, а именно антикодон, акцепторный стебель, D- и Т-ветви, выполняют специфические функции.

•Инициация трансляции выступает как образование рибосомы из двух ее субъединиц и связывания метонин-тРНК со стартовым кодоном AUG.

•Элонгация реализуется посредством: 1) связывания аминоацил-тРНК

сА-участком рибосомы, 2) превращением аминоацил-тРНК в пептидил-тРНК, 3) транслокацией.

•Терминация инициируется попаданием на А-участок одного из стоп-кодонов.

•Первичная структура белков модернизируется в цитоплазме.

6.9. Клеточная теория

Клеточная теория, или цитология (от др. — греч. kytos — клетка), является фундаментальной биологической концепцией. Развитая в последовательной форме впервые в 1839 г. Т. Шванном, она привела к многочисленным обобщениям, которые интересуют нас в первую очередь. Разумеется, за 175-летнюю историю своего развития она была обогащена многочисленными достижениями, которые существенно укрепили ее статус. Перечислим основные положения клеточной теории.

1.Все организмы состоят из одной или большего числа клеток.

2.Все живые клетки возникают в результате деления их клеточных предшественников. Они не появляются самопроизвольно из неживого материала.

3.Клетка является основополагающей единицей структур и функций всех живых организмов.

4.По своим основополагающим характеристикам, в частности, по химическому составу, все клетки подобны друг другу.

5.Характерный для организмов процесс обмена веществ (метаболизм) происходит в клетках.

267

6.Генетическая информация передается от одного поколения организмов к другому посредством деления клеток.

7.Организм не является лишь механической суммой клеток, для него характерны многочисленные интегративно-системные характеристики.

Достоверно не известно время возникновения первых клеток, или, что то же самое, одноклеточных организмов. Судя по ископаемым данным, клетки возникли не позднее, чем 3,5 млрд лет тому назад. Протоклетки содержали как минимум три обязательных элемента, характерных для любого типа клеток. Это, во-первых, способные к саморепликации молекулы, которые необходимы для передачи наследственной информации

исинтеза белка. Во-вторых, цитоплазма, дополнительные ингредиенты, в отсутствие которых не мог бы состояться обмен веществ. В-третьих, оболочки, отграничивающие клетку от внешней среды. Видимо, первыми самореплицирующимися молекулами были РНК, которые в отличие от ДНК

способны без посредников синтезировать белки. Лишь в процессе исторического развития РНК были дополнены механизмом ДНК РНК.

Самые ранние виды клетки под давлением обстоятельств либо навсегда прекратили свое существование, либо стали внутренними симбионтами более совершенных клеточных структур. Современные биологи имеют дело с тем, что изобрела природа за 3,5 млрд лет. В этой связи используется довольно грубая, но вполне уместная классификация. Различают два типа клеток: прокариоты (от лат. pro — перед и греч. karyon — ядро) и эукариоты (от греч. eu — хороший, настоящий).

Прокариоты имеют значительно более простую структуру, чем эукариоты. Они не способны образовывать многоклеточные организмы. ДНК представлена в свободном состоянии в цитоплазме, она не образует хромосому. Геном, как правило, состоит из одной молекулы ДНК, которая часто имеет замкнутую структуру. Рибосомы прокаритов по размерам меньше рибосом эукариотов.

Что касается эукариотов, то их устройство довольно сложное, они представляют собой многозвенные системные организации. Устройство эукариота представлено на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Устройство типичной эукариотической клетки

268

Функции составных частей эукариотической клетки указаны в табл. 6.8.

Клетка представляет собой сложнейшую систему, динамическая сторона которой называется метаболизмом (обменом веществ). Он представляет собой совокупность тех химических реакций, которые происходят в организме, и состоит в поглощении, переносе и преобразовании материалов внутри клетки, сопровождаемом выбросом ненужных организму веществ вовне его. Эти биохимические процессы, например дыхание и питание, обеспечивают сохранение клетки и ее функций. При этом актуальное значение имеют ферменты, которые регулируют ход химических реакций.

1.Оксиредуктазы катализируют окисление и восстановление.

2.Трасферазы катализируют перенос химических групп с одной молекулы на другую.

269

3.Гидролазы катализируют гидролиз (разложение вещества под воздействием воды) химических связей.

4.Лиазы катализируют разрыв химических связей без гидролиза

собразованием двойной связи в одном из продуктов.

5.Изомеразы, катализируют структурные изменения в молекуле субстрата.

6.Лигазы, в частности ДНК-полимераза, катализируют образование химических связей за счет гидролиза АТФ.

Весь метаболизм может быть разделен на катаболические и анаболические реакции. Катаболические реакции сопровождаются деградацией химически сложных пищевых материалов. Анаболические же реакции состоят в формировании веществ, жизненно необходимых организму. Причудливое сочетание двух типов реакций всегда приводит к необратимости итоговых результатов. Оно противодействует увеличению энтропии. Либо она сохраняется неизменной и, следовательно, имеет место гомеостаз, либо, если клетка совершенствуется, даже уменьшается.

Выводы

•Клетка является элементарной единицей всего живого.

•Она представляет собой сложное структурное и динамическое образование.

•Жизнедеятельность клетки обеспечивается целой сетью химических реакций, которые регулируются шестью типами ферментов.

•Обмен веществ (метаболизм) обеспечивает жизнедеятельность клетки как биологического организма, способного противостоять процессу увеличения энтропии.

6.10. Деление клеток

Основу размножения и индивидуального развития всех живых организмов составляет процесс деления клеток. Он происходит по-разному у прокариотов и эукариотов. Для кариотов характерно бинарное деление клеток. Деление эукариотических клеток происходит главным образом посредством митоза и мейоза. Отклонения от них мы не рассматриваем.

Бинарное деление

Рис. 6.14. Бинарное деление прокариотических клеток

270