WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
TRANSLATION ТРАНСЛЯЦИЯ КАК СПОСОБ AS THE WAY СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВЫХ OF EXISTENCE OF LIVING MATTER OR WHAT THE СИСТЕМ, ИЛИ В ЧЕМ СМЫСЛ SENSE OF NONSENSE CODONES IS “БЕССМЫСЛЕННЫХ” КОДОНОВ S. G. INGE-VECHTOMOV.. ‡-·„ „‰‡‚ ‚ The properties of genetic code do not only define the expression pattern of После публикации Дж. Уотсоном и Ф. Криком mutations, but also pro[1] в 1953 году модели дезоксирибонуклеиновой vide the possibility of кислоты (ДНК) прошло более 40 лет. Это открытие genetic analysis of many определило развитие биологии второй половины XX века. Вопрос о том, что и как записано в ДНК, processes in translation ускорил расшифровку генетического кода. Осознаand synthesis of proteins.

ние того, что гены – это ДНК, универсальный ноThe mutant nonsense ситель генетической информации, привело к появлению генной инженерии. Сегодня уже студенты codones are much better университетов расшифровывают чередование нукexpressed than mutant леотидов в ДНК, соединяют гены разных организsense codones resulting мов, переносят их между видами, родами и значительно более удаленными таксонами. На базе генной from missence mutations.

инженерии возникла биотехнология, которую известный фантаст С. Лем определил как использова‚‚‡ „„ ние закономерностей биогенеза в производстве.

‰‡ ‰fl Мы многое узнали о том, как читается генетический код в ходе синтеза белка, убедились, что в этом ‡‡ fl‚процессе участвует множество умных молекулярfl ‚‡ ных машин, что у всех живых организмов этот про‡, ‚ цесс представляет собой некоторые “вариации на заданную тему”. Увлечение принципом биологиче„„ ‡‡‡ ской универсальности породило в 70-х годах своего „ ‚, ‚flрода эйфорию – все стало как будто “понятно”.

‡ „- Вскоре выяснилось, что радоваться рано, и внимание стали больше привлекать вариации, нежели за ‡ данная тема, поскольку эти вариации, по-видимому, ·‡ – ‡flсоставляют существенные характеристики биологи. ‡ - ческого разнообразия. Здесь мы рассмотрим изменчивость и возможные причины эволюции некото‰ „‡‰ рых участников синтеза белка.

fl‚flfl, ‚ ‰, ‚ – ‡ ‚ ‡ Вспомним, что говорил о природе генов -‡.

В.Л. Иоганнсен, человек, который в 1909 году дал само имя гена: “Свойства организмов обусловливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами... В настоящее время нельзя составить никакого определенного представления о природе генов; мы можем лишь удовольствоваться тем, что, ‹12, © „-‚.., подобные элементы действительно существуют” Кроме того, разработка многочисленных систем (цит. по [2]). ген–фермент помогла сформулировать вопрос: что и как записано в генетическом коде С тех пор ситуация существенно изменилась.

Мы убедились, что, кроме атомов и молекул, в клетке ничего нет. И подчиняется она тем же физичес- ким закономерностям, что и неживые объекты, в На этот вопрос в общей форме ответил Ф. Крик чем смогли убедиться физики, устремившиеся в биосо своими коллегами в 1961 году [5]. Оказалось, что логию в 40-х годах именно в поисках каких-то код триплетен – каждая кодирующая единица-копринципиально новых, неизвестных физике закодон состоит из трех нуклеотидов. В каждом гене нов природы [3]. Все реакции клеточного метаботриплеты считываются с фиксированной точки, в лизма осуществляются под контролем биокатализаодном направлении и без запятых, то есть кодоны торов – ферментов, структура которых записана в ничем не отделены друг от друга. ПоследовательДНК генов. Передается эта запись в цепи переноса ность кодонов определяет последовательность амиинформации ДНК РНК БЕЛОК.

нокислотных остатков в полипептидах.

Сначала информация, записанная в виде череКак известно, оснований, которыми различаютдования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух ся нуклеотиды, всего четыре. В РНК это аденин (A), комплементарных цепей в ДНК гена, переписывагуанин (G), цитозин (C) и урацил (U) (T-тимин в ется на одноцепочечную молекулу информационДНК), а обычных аминокислот, входящих в белки, – ной рибонуклеиновой кислоты – иРНК (она же 20 (рис. 1). Следовательно, задача сводится к тому, мРНК от англ. messenger – переносчик). Это прочтобы четырьмя основаниями записать двадцать цесс транскрипции. На следующем этапе по матриаминокислот. И отсюда следует, что код должен це иРНК строится последовательность аминокисбыть не менее чем триплетным, поскольку по однолотных остатков полипептида. Тем самым создается му основанию и даже по два (4 4 = 16) недостаточпервичная структура будущей молекулы белка. Это но, а по три даже много (4 4 4 = 64). Сколько же процесс трансляции. Первичная структура опредекодонов из 64 имеют смысл, а какие бессмысленляет способ складывания молекулы белка и тем саны Соответствует ли каждой аминокислоте один мым определяет ее ферментативную или какую-лиили несколько кодонов бо иную, например структурную или регуляторную, функцию.

Ответы на эти вопросы были получены к 1965 гоЭти представления зародились в начале 40-х го- ду, когда генетический код был полностью расшифрован [см. 6]. Удобнее всего представить код в крудов, когда Дж. Бидл и Э. Тейтум выдвинули свой говой форме (рис. 1). Буквы в центре круга – первые знаменитый лозунг “Один ген – один фермент” [4].

Он, подобно политическим лозунгам, разделил на- буквы кодонов, вокруг расположены буквы, соответствующие второму положению в кодоне, и, научное сообщество на сторонников и противников конец, третий круг – третье положение в кодоне.



высказанной гипотезы о равенстве числа генов и числа ферментов в клетке. Аргументами в возник- Четвертое кольцо образуют аминокислотные остатки, представленные в виде трехбуквенных сокращешей дискуссии служили факты, полученные при ний. Во внешнем круге отмечены физико-химичесразработке так называемых систем ген–фермент, в которых изучали мутации генов, определяли их рас- кие свойства аминокислот, а именно являются ли они полярными (п) или неполярными (нп). Сразу положение внутри генов и учитывали изменения видно, что каждой аминокислоте соответствует от ферментов, кодируемых этими генами: замены аминокислотных остатков в их полипептидных це- одного (Met, Trp) до шести (Leu, Arg, Ser) кодонов, то есть код обладает свойством избыточности, или пях, их влияние на ферментативную активность и вырожденности (табл. 1).

т.д. Теперь мы знаем, что один фермент может быть закодирован в нескольких генах, если он состоит из Кодон для метионина одновременно служит разных субъединиц, то есть из разных полипептидинициатором – сигналом начала синтеза полипепных цепей. Знаем, что есть гены, которые вообще не тида. Кодонов, не кодирующих аминокислот, окакодируют полипептидов. Это гены, кодирующие залось всего три: UAA, UAG, UGA. Поначалу их натранспортные РНК (тРНК) или рибосомные РНК звали бессмысленными кодонами или нонсенсами (рРНК), участвующие в синтезе белка.

(это название сохранилось в научном обиходе до В своей первоначальной форме принцип “Один сих пор), однако вскоре выяснилось, что они вовсе ген – один фермент” представляет скорее истори- не бессмысленны, а представляют собой сигналы ческий интерес, однако заслуживает памятника, терминации синтеза белка. Действительно, в дальпоскольку он стимулировал создание целой науч- нейшем, когда начали расшифровывать нуклеотидной области – сравнительной молекулярной биоло- ные последовательности генов, убедились, что пергии гена, в которой гены – единицы наследствен- вый же встреченный на иРНК кодон AUG (Met) ной информации фигурируют как самостоятельные задает фазу последующего считывания троек, то есть предметы исследования. служит той самой фиксированной точкой, с которой -.. НП НП П Phe П Gly Lys Glu Ser Asp П G A U C C A U G НП Tyr U AG CA C G U Ala U G G A Stop C U A C C A A U C G Cys НП G U НП Val C A Stop G C A G U U Trp U G G U C A Arg A U C G Leu C A П U G НП Ser G U A C A C A C Lys A G C U U GA G Pro U C A C G Asn U П НП G CU A A CU G His Thr Gln Met Arg П Ile П Start П НП Рис. 1. Генетический код в круговой форме. Внутренний круг – первая буква кодона, второй круг – вторая буква кодона, третий круг – третья буква кодона, четвертый круг – обозначения аминокислот в трехбуквенном сокращении (см. табл. 1). Остальные пояснения см. в тексте.

начинается считывание. Любой последующий AUG нов. Чаще всего проявляются те миссенс-мутации, просто кодирует Met. В конце гена обязательно сто- которые приводят к заменам полярных остатков на ит UAA, или UAG, или UGA, а то и два нонсенса неполярные и наоборот.

подряд.

Принципиально иные возможности для проявЗнакомство с таблицей генетического кода поз- ления имеют превращения значащих кодонов в воляет заметить, что для кодирования большинства нонсенсы или нонсенс-мутации. Действительно, аминокислот существенны два первых основания, а если миссенс-мутации могут изменить, а могут и не третье может быть любым. Следовательно, мутации – изменить структуру и активность полипептида, козамены оснований в третьем положении многих ко- дируемого данным геном, то нонсенс-мутации, донов просто не будут проявляться. Кроме того, ог- блокирующие дальнейшую трансляцию данной раниченные возможности проявления имеют и му- иРНК, будут приводить к появлению лишь начальтации, приводящие к замене полярного остатка на ных (N-терминальных) фрагментов белка, лишенполярный или неполярного на неполярный, по- ных ферментативной активности. Столь же высоки скольку они часто близки по своим физико-хими- шансы на проявление у мутаций-сдвигов фазы счическим свойствам. Если такие мутации и проявля- тывания, которые возникают в результате вставки ются, то проявляются нечетко, то есть мутантный лишней пары нуклеотидов в ДНК гена или выпадебелок не полностью утрачивает свою активность, а ния пары нуклеотидов. В этом случае фиксированлишь частично. Так могли возникать в эволюции ная точка начала считывания остается неизменной, так называемые полипептиды-синонимы, имею- но, начиная с того места, где произошла вставка щие одинаковую укладку и ферментативную актив- (выпадение), смысл всех кодонов будет изменен.

ность, но разную первичную структуру. Получается, Более того, рано или поздно вследствие сдвига счичто генетический код обладает высоким уровнем тывания среди этих новых кодонов встречается помехоустойчивости в том, что касается миссенс- один из трех нонсенсов со всеми вытекающими отмутаций, или мутаций, изменяющих смысл кодо- сюда последствиями.

, ‹12, Таблица 1. Аминокислоты, их условные обозначения (трех- и однобуквенные символы) и соответствующие им кодоны A Ala Аланин GCA GCC GCG GCU C Cys Цистеин UGC UGU D Asp Аспарагиновая кислота GAC GAU E Glu Глутаминовая кислота GAA GAG F Phe Фенилаланин UUC UUU G Gly Глицин GGA GGC GGG GGU H His Гистидин CAC CAU I Ile Изолейцин AUA AUC AUU K Lys Лизин AAA AAG L Leu Лейцин UUA UUG CUA CUC CUG CUU M Met Метионин AUG N Asn Аспарагин AAC AAU P Pro Пролин CCA CCC CCG CCU Q Gln Глутамин CAA CAG R Arg Аргинин AGA AGG CGA CGC CGG CGU S Ser Серин AGC AGU UCA UCC UCG UCU T Thr Треонин ACA ACC ACG ACU V Val Валин GUA GUC GUG GUU W Trp Триптофан UGG Y Tyr Тирозин UAC UAU Таким образом, вследствие специфической ор- например, [6]). В трансляции каждого гена участвуганизации генетического кода кодонам-нонсенсам ют несколько сот разных молекул белков и нуклеиотводится особая роль – терминаторов трансляции. новых кислот.





Поэтому, возникая мутационным путем, они, как и 1. Транспортные РНК (тРНК) состоят примерно мутации типа сдвиг рамки считывания, проявляютиз 70 нуклеотидов. Каждая тРНК имеет акцепторся значительно чаще и четче, чем мутации-миссенный конец, к которому присоединяется аминокиссы, изменяющие смысл кодонов.

лотный остаток, и адаптерный конец, несущий Нонсенсы и сдвиги считывания часто встреча- тройку нуклеотидов, комплементарную какому-либо кодону иРНК (см. рис. 2), потому этот триплет ются в так называемых псевдогенах, которые были назвали антикодоном. Первый и второй нуклеотиды открыты в начале 80-х годов в результате изучения нуклеотидных последовательностей в геномах выс- кодона строго следуют правилам комплементарносших эукариот. Псевдогены очень похожи на обыч- ти (A – U; G – C) при взаимодействии с соответствующими нуклеотидами антикодона, а вот взаимоные гены, но их проявление надежно ”заперто” четко проявляющимися мутациями: сдвигами счи- действие с третьим нуклеотидом кодона позволяет себе некоторую нестрогость, неоднозначность спатывания и нонсенсами. Псевдогены представляют собой резерв эволюционного процесса. Их фрагмен- ривания. Благодаря этой неоднозначности каждое семейство кодонов для одной аминокислоты, разты используются при возникновении новых генов.

личающихся по третьему нуклеотиду, может “обслуживаться” одним антикодоном. С учетом этих, правил для считывания всей кодовой таблицы до статочно всего 31 тРНК. Тем не менее все не так просто, и уже у бактерий есть 45 разных тРНК. Их кодируют 78 генов. У дрожжей этих генов уже 400, у Синтез белка или трансляция – это центральное мушки дрозофилы – около 750, а у лягушки – уже событие в жизни клетки (рис. 2). Само представлепримерно 8000, то есть получается, что одну моление о дискретных единицах генетической информакулу тРНК могут кодировать несколько одинакоции существует благодаря трансляции нуклеотидвых или очень близких по структуре генов, и чем ных последовательностей иРНК, ограниченных “дальше” в эволюции, тем больше таких генов для кодонами: инициатором и терминатором. Считывакодирования одинаковых тРНК.

ние таких последовательностей приводит к появлению в клетке дискретных молекул белка. Этот про- 2. Аминоацил-тРНК синтетазы – ферменты, коцесс обставлен в клетке весьма сложно (см., торые активируют аминокислоты и нагружают ими -.. Инициация Элонгация Терминация IF1 EF-Tu RFФакторы IF2 EF-Ts RFIF3 EF-G RFРибосома иРНК + A U G A U G A A A C G C U A A C + A U G G U C U U A U C Lys Arg тРНК f Met f Met Белок Рис. 2. Общая схема процесса трансляции. Пояснения см. в тексте.

тРНК. Каждая синтетаза (их должно быть не мень- ных этапах трансляции. Рассмотрим их на примере ше 20) узнает только свою аминокислоту и навеши- бактерий:

вает ее на свою тРНК.

а) факторы инициации (их 3: IF-1–IF-3); они обеспечивают начало всего процесса трансляции:

3. Рибосома играет роль организующего центра в объединение рибосомы и иРНК, отвечают за взаичтении генетической информации. Это молекулярмодействие кодона AUG на рибосоме со специальная машина, построенная по единой схеме у всех ной инициирующей тРНК;

организмов с некоторыми вариациями. Она состоб) факторы элонгации (их тоже 3: EF-Tu, EF-Ts, ит из двух рибонуклеопротеидных субчастиц: малой EF-G) обеспечивают связывание антикодонов заи большой. В состав малой субчастицы у бактерий, ряженных тРНК с соответствующими кодонами например, входит молекула рибосомной РНК иРНК на рибосоме и продвижение рибосомы вдоль (рРНК) длиной 1500 нуклеотидов плюс еще одна матрицы – иРНК;

небольшая молекула рРНК (110–120 нуклеотидов) и 21 разный белок. В состав большой субчастицы – в) факторы терминации; считается, что не сущеодна молекула рРНК длиной 2700 нуклеотидов ствует тРНК, специфичных для трех кодонов-терплюс 32 разных белка. Если каждый белок рибосом минаторов: UAA, UAG, UGA; их опознают и с ними обычно закодирован в одном гене, то для кодировавзаимодействуют специальные белки (их опять же ния рРНК характерна большая генная избыточ3: RF1–RF3); при этом RF1 узнает UAA и UAG, а ность. Так, например, у кишечной палочки каждую RF2 – UAA и UGA; RF3 не имеет кодоновой специмолекулу рРНК кодируют 7 генов, а у дрожжей – фичности и взаимодействует с RF1 и RF2, делая несколько сот генов.

процесс терминации более эффективным и зависимым от энергии расщепления ГТФ. Аппарат трансНа рибосоме происходит взаимодействие иРНК ляции у эукариот несколько сложнее: и белков в с тРНК и синтезируется белок. При этом “руковорибосоме побольше, и факторов трансляции подит” образованием пептидных связей между аминобольше, например одних факторов инициации не кислотными остатками сама рибосома.

меньше десяти. Тем не менее общая схема его строения принципиально та же, что и у бактерий.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.