Медицинский словарь
А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Я

Генетический код

 

Генетический код — система зашифровки наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот. На основе закодированной информации гены управляют синтезом белков, и в первую очередь ферментов, поскольку последние контролируют все процессы обмена веществ и энергии. Специфичность строения и функции отдельных белков в свою очередь определяются тем, из каких структурных единиц (аминокислот) они состоят и в какой последовательности эти аминокислоты расположены в молекуле белка.

После того как в 50-е гг. 20 в. было установлено, что гены — это участки молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК — см. Нуклеиновые кислоты) и что они определяют структуру определенных белков, стало очевидным, что между химической структурой определенных участков молекулы ДНК и конкретными белковыми молекулами существует определенная зависимость, сущность которой (как выяснилось в дальнейшем) состоит в том, что определенный порядок расположения аминокислот в белках соответствует определенному порядку расположения нуклеотидов (структурных единиц ДНК) в гене. Установление этой зависимости позволило приступить к расшифровке генетического кода, т. е. к установлению законов соответствия между последовательностью нуклеотидов ДНК и последовательностью аминокислот в молекулах белков. Расшифровка генетического кода усложнялась тем, что в составе ДНК, как было известно, имеется только 4 типа нуклеотидов: адениловые (А), гуаниловые (Г), тимидиловые (Т) и цитидиловые (Ц) (см. Нуклеиновые кислоты), а в составе белков — 20 основных аминокислот. Теоретический анализ решения этой задачи был предпринят в 1954 г. амер. физиком Г. Гамовым, который предположил, что каждую аминокислоту кодирует тройка нуклеотидов - так называемый триплет, или кодон. Таких кодонов должно было быть 64 (число сочетаний четырех элементов в группах по три равно 43, или 64), а это более чем в три раза превышает число основных аминокислот в белке. В связи с этим было высказано предположение, что в одной аминокислоте может соответствовать не один, а несколько кодонов. Первое время казалось, что в природе существует какое-то правило отбора нужных 20 кодонов и «устранения» остальных 44 кодонов, оказывающихся ненужными для кодирования. Не было также ясно, как располагаются кодоны вдоль гена. Для объяснения этого было предложено много гипотез о различных моделях генетического кода, которые можно разделить в основном на три группы: 1) гипотезы, согласно которым тройки нуклеотидов (триплеты) следовали в пределах гена непрерывно друг за другом без каких-либо «бессмысленных», то есть не кодирующих аминокислоты, нуклеотидов (так наз. сплошной код, или непрерывный код без запятых); 2) гипотезы, согласно которым триплеты, кодирующие аминокислоты, могли располагаться в гене последовательно один за другим, однако между ними могли лежать и «бессмысленные» отрезки нуклеотидов, представляющие собой «знаки препинания» (так наз. код с запятыми), и, наконец, 3) гипотезы, согласно которым триплеты могли перекрываться и, скажем, первый, второй и третий нуклеотиды от начала гена кодировали бы первую аминокислоту; второй, третий и четвертый нуклеотиды кодировали бы вторую аминокислоту и т. д. (сплошной перекрывающийся код).

В 1961 г. было экспериментально доказано, что справедлива первая модель сплошного (неперекрывающегося) кода без «запятых». Далее было установлено, что генетическая запись в нуклеиновых кислотах осуществляется в соответствии со следующими правилами: 1) между последовательностью нуклеотидов и кодируемой последовательностью аминокислот существует линейное (прямое) соответствие; 2) считывание генетического кода начинается с определенной точки; 3) считывание идет в одном направлении в пределах одного гена; 4) код является неперекрывающимся; 5) при считывании не бывает промежутков (код без «запятых»); 6) одну аминокислоту могут кодировать два и более однозначных триплета (синонимов); 7) код в живой природе универсален (за некоторыми исключениями), т. е. свойствен всем живым организмам на Земле. Универсальность генетического кода подтверждается экспериментами по синтезу белка в условиях культивирования вне организма. Если в бесклеточную систему, полученную из одного организма (например, из кишечной палочки), добавить нуклеиновую кислоту, полученную из другого организма, далеко отстоящего от первого в эволюционном отношении (например, проростков гороха), то в такой системе будет идти белковый синтез.

Выяснение общей природы генетического кода, доказательство его триплетности и непрерывности считывания было огромным шагом вперед в понимании законов наследственной записи, однако эти работы не давали информации о том, какие конкретно триплеты соответствуют каким аминокислотам. Эта задача была во многом разрешена в 1961— 1964 гг. благодаря работам американских биохимиков М. Ниренберга, ф. Ледера и нем. ученого Г. Маттеи. На основании полученных ими данных, подкрепленных затем исследованиями других ученых, стал известен не только нуклео-тидный состав всех кодонов, но и был выяснен полный «генетический словарь» живой природы (было дано точное соответствие всех 64 триплетов двадцати аминокислотам). Перевод генетической записи в структуру белка заключается в том, что на молекуле ДНК синтезируются с помощью специальных ферментов копии генов в виде молекул так наз. информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК; процесс транскрипции генетического кода). Эти молекулы затем соединяются с рибосомами в цитоплазме клеток и там напротив каждого из триплетов иРНК молекулы транспортных РНК подставляют нужные аминокислоты в соответствии с кодом (процесс трансляции генетического кода). При этом часть аминокислот кодируется двумя и более триплетами и лишь две аминокислоты (метионин и триптофан) одним триплетом.

Три триплета из 64 (УАА, УАГ и УГА) не кодируют никаких аминокислот, и поэтому как только при «чтении записи» в информационной РНК рибосома доходит до любого из этих «бессмысленных» кодонов, она не может подставить напротив них ни одну из аминокислот, и на этой точке чтение, т. е. синтез белка, прекращается. Поэтому эти три кодона называют еще и терминирующими, т. е. приводящими к окончанию синтеза белка кодонами.

Три кодона (АУГ, ГУГ и УУГ) сигнализируют о начальной точке белкового синтеза (так наз. инициирующие, или начальные, кодоны, они отмечены в таблице звездочкой). Интересно, что свою инициирующую роль эти кодоны проявляют только в том случае, если они располагаются в начальной точке гена. В случае же, если эти три кодона находятся внутри гена, они кодируют подстановку аминокислот лейцина, метионина и валина. Все сказанное выше о терминирующих и инициирующих кодонах доказано пока лишь для микроорганизмов. Насколько все эти закономерности справедливы для высших организмов, включая человека, покажут результаты дальнейших исследований. Вместе с тем, несомненно, что общая природа генетического кода, правила репликации ДНК, транскрипции ее в РНК и трансляции полученных таким путем копий генов (молекул иРНК) в молекулы белков совершаются одинаково во всех организмах на Земле.




© 2007-2012 Медицинский словарь Rambler's Top100