рех нуклеотидов; таких знаков может быть 43=64. Три нуклеотида, образующие кодовый знак, называют триплетом.

За период с 1961 по 1964 г. удалось выяснить генетический код благодаря работам исследовательских групп Ниренберга и Очоа (табл. 5.1). Результаты этих работ явились одним из саТаблица 5.1

Ser

His

Pro

UAU1 m

UACI Tyr UAA Ochre UAG Amber

CAU1 CAC j

CAA1 CAG J

AAU1 AAC j

AAA 1 AAG /

G!n

UGU UGC > Cys

UGA UGG Opal Try

CGU CGC CGA CGG Arg

AGU AGC Ser

AGA AGG Arg

GGU1 GGC GGA GGG Gly

Asn

Thr

Lys Asp

Ala

GAU\ GAC /

GAA 1 GAGI

Glu

Генетический код (кодоны тРНК для аминокислот)

иго

ШС

UUA UUG | Phe

, Leu UCU UCC UCA UCG

сии cue

CUA CUG Leu ecu ccc

CCA CCG

AUU AUC AUA

AUG He Met ACU ACC АСА ACG

GUU GUC GUA GUG • Val GCU GCC GCA GCG

мых значительных шагов в понимании жизненных процессов. Эти результаты можно кратко резюмировать следующим образом:

1. Генетический код представляет собой трип летный код. Триплет тРНК получил название кодона.

2. Генетический код является вырожденным кодом, т. е. одной аминокислоте, как правило, соответствует более чем один кодон. В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковы, а третий варьирует.

3. Нуклеотидная последовательность ечитывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом. Кодоны ие перекрываются.

4. AUG представляет собой стартовый кодон (5.1.2.2).

5. UAG(amber), UAA(ochre) и UGA (opal) — кодоны-терми-наторы (5.1.2.2).

6. Генетически код универсален, он един для всех организмов и вирусов.

5.1.2.2. Процессы, происходящие на рибосомах. Трансляция осуществляется на рибосоме. тРНК прикрепляется к малой субчастице, связывание аминокислот происходит на большой субчастице.

Кроне информации для аминокислотной последовательности. тРНК содержит начальную (лидер) и концевую (трейлер) последовательности. Часть начальной последовательности необходима для связывания с малой субчастицей рибосомы. «Колпачку» у эукариот приписывают роль в узнавании рибосомы и в связывании с малой субчастицей.

Трансляция начинается со стартового кодона AUG (рис. 5.5). На малой субчастице есть особый участок (позиция 1), где триплет подготавливается к трансляции. Так как генетический код не имеет «запятых», начало считывания должно определяться точно, и для этой цели служит стартовый кодон AUG. Затем на то же место для считывания непрерывно друг за другом встают последующие триплеты.

190 Глава 5

Роль посредника между кодоном mPHK. и аминокислотой играет tPHK. Для каждой аминокислоты существует по меньшей мере одна tPHK. Она выполняет в основном две задачи: выбирает из 20 аминокислот специфичную для нее (5.1.2.3) и находит с помощью своего антнкодона (см. рис. 2.10 и 5.5) соответствующий кодон тРНК по принципу спаривания оснований. Та tPHK, которая, подойдя к малой субчастице, образует связь кодон-антикодон, одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок большой субчастицы. К ко-дону AUG «подходит» антикодон только той tPHK, которая переносит метионин (Met-tPHK). Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем одновременно кодон AUG переходит из позиции 1 в позицию 2 на малой субчастице, а Met-tPHK — на пептидильный участок большой субчастицы. На малой субчастице в позиции 1 стоит теперь следующий кодон (на рис. 5.5 — UUU), готовый к связыванию с антикодоном. К кодону UUU «подходит» антикодон Phe-tPHK, и в аминоацильный участок большой субчастицы попадает фенилаланин. Карбоксильная группа метионина, которая раньше была связана с tPHK, присоединяется к аминогруппе фенилаланина, и образуется дипептид, связанный с tPHKphe. tPHKMet освобождается и готова теперь связать новую молекулу метионина. Когда второй кодон, UUU, переходит в позицию 2, позиция 1 освобождается для следующего кодона (на рис. 5.5. — ССС). Снова происходит спаривание оснований кодона и антнкодона. На аминоацильный участок большой субчастицы попадает аминокислота пролин. Образуется пептидная связь между фенил-аланином и пролином. Таким образом считывается триплет за триплетом. Последовательность кодонов в тРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде (рис. 5.6). Образование пептидных связей прекращается, когда в участке трансляции появляется кодон-терминатор тРНК- Для него не существует tPHK, и в аминоацильный участок не попадает никакая аминокислота..

Обе субчастицы объединяются в способную функционировать рибосому только тогда, когда к малой субчастице уже прикрепилась тРНК, а к последней присоединилась Met-tPHK. Эту начальную фазу трансляции называют инициацией (рис. 5.7, А). В трансляционной системе Е. coll наряду с факторами инициации IF-1, IF-2 и IF-3 должны присутствовать Mg2+ иA-U-G-U-U-U-C-C-C-A-G-A- Кодоны тРНК MET — PHE - PRO — ARG Аминокислоты

Рис. 5.6. Соответствие (колинеарность) последовательности кодонов тРНК н аминокислот в пептидной цепи.

GTP. Начальная аминокислота метионин у бактерий формили-руется. У эукариот стартовый метионин не формилирован, но тоже связан со специфической стартовой tPHK. Для включения метионина во внутренние участки полипептидной цепи используется другая tPHK. Стартовый метионин во время синтеза полипептидной цепи отщепляется.

Связывание последующих аминокислот в полипептид происходит в фазе элонгации (удлинения цепи, рис. 5.7,Б). В этом процессе помимо факторов элонгации EF-Tu, EF-Ts и EF-G участвуют еще GTP, К+ и Mg +.

В фазе терминации (рис. 5.7, В) синтез полипептидной цепи заканчивается при участии освобождающих цепь факторов.

тРНК одновременно считывается несколькими рибосомами («полисомы», 3.3). Еще до того как она будет полностью транслирована, ее начало попадает на следующую рибосому и там тоже транслируется.

5.1.2.3. Присоединение аминокислот к tPHK. На рибосоме правильное размещение аминокислот в полипептидной цепи осуществляется благодаря спариванию оснований между антикодо»

ном tPHK и кодоном тРНК (см. выше). Но как попадает аминокислота на специфическую tPHK?

За связывание аминокислоты с соответствующей tPHK ответствен фермент аминоацил-хРНК-синтетаза. Каждая аминокислота имеет свою специфическую синтетазу (или несколько таких сннтетаз). Например, для метионина имеется метионил-tPHK-синтетаза, с высокой специфичностью присоединяющая метионин к tPHKMet. Прежде всего аминокислота активируется (Аминокислота + АТР-»-Аминоацил-AMP + Пирофосфат). Эту реакцию тоже катализирует аминоацил-1РНК-синтетаза, которая образует комплекс с аминоацил-АМР. Присоединение аминокислот к специфическим tPHK — необходимая предпосылка безошибочного хода биосинтеза белков, так как каждая аминокислота, связанная с tPHK, включается в пептидную цепь в соответствии с антикодоном этой tPHK (см. выше). Приводим уравнения обоих этапов:

АТР -f- HOOC.CH(NHa)—R Сттегю> AMP~OC.CH(NHj)-R + Пирофосфат;

СИНТЕТАЭА

tPHK + AMP~OC.CH(NH2)—R >- (РНК—OC.CHfNH^-R -J- AMP.

Каждая tPHK имеет акцепторный конец ...рСрСрА, к которому присоединяется аминокислота (см. рис. 2.10), связываясь своей карбоксильной группой с рибозой аденоэина. В такой форме аминокислота попадает на рибосому; когда она включается в пептид, связь между карбоксильной группой и рибозой разрывается и карбоксильная группа может теперь образовать пептидную связь с аминогруппой следующей аминокислоты.

5.1.2.4. Происхождение аминокислот. Аминокислоты для построения белка синтезируются в процессах клеточного метаболизма. Бактерии и растения синтезируют их из С-, О- и Н-содержащих промежуточных продуктов углеводного обмена и из N-содержащих неорганических солей, поступающих извне (4.5). Животные покрывают свою потребность в аминокислотах, расщепляя белки растительной н животной пищи до аминокислот (ср. 1.2.3).

5.2. ОТ ПОЛИПЕПТИДА К ПРИЗНАКУ

Образующиеся при биосинтезе белка полипептидные цепи определяют признаки клетки и организма, формируя белковые структуры или управляя процессами метаболизма в качестве ферментов.

Как структурообразующие элементы полипептиды участвуют в построении мембран, хроматина, рибосом, микрофиламентов и микротрубочек. В качестве ферментных белков они управляют всеми важными процессами, которые обеспечивают формирование клеток и организмов, поддержание их структур и функций, развитие, клеточное деление и размножение. Подавляющее большинство метаболических реакций находится под контролем ферментов н, следовательно, генов.

194 Глава 5

Реализация генетической информации 195

Фенотип зависит 1) от генотипа, т. е. от имеющихся генов и взаимодействия аллелей (5.5), и 2) от внутренней и внешней среды, которая влияет на активность генов и обусловливает ре-гуляторные процессы (5.3) и модификации (5.4).

5.3. РЕГУЛЯЦИЯ ГЕННОЙ АКТИВНОСТИ

Качественный и количественный состав белков в одной клетке (в разное время) и в разных клетках организма может быть весьма различным. Различия могут быть обусловлены процессами, происходящими при синтезе белков de novo — на стадиях транскрипции, постграяокрипции или трансляции, и воздействиями на уже имеющиеся белки или их предшественники.

5.3.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРАНСКРИПЦИИ

Интенсивность транскрипции непосредственно определяется промотором. Конститутивные гены активны всегда, и их продукты все время образуются в одинаковых количествах; активность этих генов зависит от взаимодействия РНК-полимеразы с промотором. Кроме того, на транскрипцию, определяемую промотором, могут влиять некоторые побочные факторы. Действие регулируемых генов может изменяться в зависимости от внешней среды и стадии развития в результате регуляторных процессов. Имеющаяся ДНК обусловливает только потенциальные возможности, реализация же их зависит от внутренней и внепь ней среды.

5.3.1.1. Зависимость активности генов от промотора. Лучше всего исследованы промоторные участки у Escherichia coli, которые

и будут рассмотрены в этом разделе. Промотор распознается

ферментом и указывает место, где должна начинаться транскрипция. За эту функцию ответственны две последовательности,

почти совпадающие во многих промоторн