Генетический код
связывает последовательность оснований данного гена или его РНК-транскрипта с аминокислотной последовательностью соответствующего белка.
Свойства генетического кода:
1. триплетность – т.е. одна аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, называемой кодоном.
2. код специфичен – т.е. каждый триплет кодирует только какую-нибудь одну аминокислоту.
3. код вырожден, т.е. большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном. Например, Phe кодируется двумя кодонами (UUU и UUC). При этом кодоны, кодирующие одну и ту же аминокислоту называются кодонами-синонимами.
4. код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований ABCDEF первые три основания (АВС) кодируют аминокислоту 1, DEF – аминокислоту 2 и т.д. В коде отсутствуют запятые, т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.
5.код универсален. У разных организмов – от вирусов и бактерий до высших животных он одинаков. Эта универсальность кода лишний раз свидетельствует о единстве происхождения всех форм жизни на Земле.
Трансляция генетического кода
Трансляция – это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка. Направление чтения закодированной записи идет от 5’-конца мРНК к 3’-концу. Первый с 5’-конца кодон соответствует N-концевой аминокислоте пептидной цепи. Следовательно, белки синтезируются отN-конца к С-концу.
Адапторная функция тРнк
Между аминокислотами и нуклеотидами невозможны специфические, комплементарные взаимодействия. Поэтому было сделано предположение о существовании молекул-адапторов, каждая из которых может взаимодействовать с определенным кодоном – с одной стороны и с определенной аминокислотой – с другой стороны. В 1957 году такие молекулы были обнаружены – ими оказались тРНК.
Взаимодействие тРНК с аминокислотами с образованием аминоацил-тРНК (аа-тРНК) катализируется ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами (АРСазами), причем для каждой аминокислоты существует, по крайней мере, один такой фермент. Источником энергии для этой реакции служит гидролиз АТФ:
аминокислота + тРНК + АТФ аминоацил-тРНК + АМФ + ФФ
Синтез белка происходит в рибосоме. В нем участвуют множество разных ферментов и белков. Весь процесс образования пептидной цепи можно разделить на три стадии: инициация, элонгация и терминация.
Инициация. Синтез белка начинается с образования инициирующего комплекса, состоящего из большой и малой субчастиц рибосомы, мРНК и соответствующей аа-тРНК. Сначала мРНК соединяется с малой (40S) субчастицей рибосомы и инициирующей аа-тРНК, роль которой при синтезе любого белка выполняет Met-тРНК. Затем к этому комплексу присоединяется большая (60S) субчастица рибосом. Met-тРНК взаимодейсвует своим антикодоном с инициирующими кодонами AUG или GUG на мРНК, что является сигналом к началу синтеза белка. Кроме того Met-тРНК связывается с Р участком (пептидильным) на 60S-субчастице рибосом. Источником энергии для инициации синтеза белка служит реакция гидролиза ГТФ до ГДФ и Фн. На этом этапе необходимы еще несколько белков, называемых факторами инициации (IF1, IF2, IF3). После образования комплекса они вновь переходят в цитозоль.
Элонгация – это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов: 1) узнавание кодона, 2) образование пептидной связи и 3) транслокация.
Узнавание кодона заключается в связывании антикодона очередной молекулы аа-тРНК со следующим (первым) кодоном мРНК, а также свободным участком А (аминоацильный участок) на 60S-субчастице рибосомы. Связывание аа-тРНК с рибосомой сопряжено с расходованием энергии – используется одна молекула ГТФ. В этой реакции участвует внерибосомальный белок -–фактор элонгации EF1.
Когда оба участка (А и Р) заняты молекулами аа-тРНК происходит образование пептидной связи. Часть 60S-субчастицы представляет собой фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи. В результате этой реакции растущая полипептидная цепь оказывается присоединенной к тРНК участка А. Таким образом, получается дипептидил-тРНК, связанный с первым кодоном и с участком А рибосомы.
Транслокация включает три акта, катализируемых еще одним фактором элонгации EF3 и энергетически сопряженных с гидролизом ГТФ. Сначала тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому, затем молекула дипептидил-тРНК перемещается из участка А в участок Р и, наконец, рибосома перемещается вдоль мРНК на три нуклеотидных остатка в сторону 3’-конца. В результате этих трех актов освобождается участок А и экспонируется очередной кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации.
Терминация, т.е. окончание синтеза пептидной цепи происходит по достижении терминирующих кодонов (UАА, UGA или UAG). В этом процессе участвуют специальные белки, названные факторами терминации (RF1 и RF2), которые узнают терминирующие кодоны, когда свободен участок А. В результате происходит гидролиз связи между концевым пептидом и тРНК, а освобожденная полипептидная цепь диффундирует от рибосомы. Вслед за этим происходит диссоциация комплекса мРНК – рибосома. Далее рибосома диссоциирует на 40S- и 60S-субчастицы.