От ДНК к белку

Поток генетической информации в клетках от ДНК к мРНК к белку описывается центральной догмой, которая гласит, что гены определяют последовательность мРНК, которая в свою очередь определяет последовательность аминокислот, образующей все белки. Декодирование одной молекулы в другую осуществляется специфическими белками и РНК. Поскольку информация, хранящаяся в ДНК, является настолько центральной для клеточной функции, интуитивно понятно, что клетка будет делать mRNA копии этой информации для синтеза белков, сохраняя при этом саму ДНК нетронутой и защищенной. Копирование ДНК на РНК относительно прямолинейно, при этом один нуклеотидный прилив добавляется в цепочку мРНК для каждого нуклеотидного прочтения в ДНК. Перевод на белок является несколько более сложным, поскольку три нуклеотидов мРНК соответствуют одной аминокислоте в полипептидной последовательности. Однако, перевод на белок все еще систематический и коллинеарный, так что нуклеотиды 1—3 соответствуют аминокислоте 1, нуклеотиды 4—6 соответствуют аминокислоте 2, и так далее.

Генетический кодекс деградирует и универсал

Каждая аминокислота определяется трёхнуклеотидной последовательностью, называемой кодоном триплета. Учитывая различное количество «букв» в «алфавитах» мРНК и белка, ученые теоретизировали, что отдельные аминокислоты должны быть представлены комбинациями нуклеотидов. Нуклеотидных дублетов было бы недостаточно, чтобы указать каждую аминокислоту, так как существует только 16 возможных двухнуклеотидных комбинаций (42). В отличие от этого, существует 64 возможных нуклеотидных триплетов (43), что намного больше, чем количество аминокислот. Ученые теоретизировали, что аминокислоты были закодированы нуклеотидными триплетами и что генетический код “вырожден”. Другими словами, данная аминокислота может быть закодирована более чем одним нуклеотидным триплетом. Позже это было подтверждено экспериментально: Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер использовали химический мутаген-профлавик для вставки одного, двух или трех нуклеотидов в ген вируса. При вставке одного или двух нуклеотидов нормальные белки не производились. Когда были вставлены три нуклеотида, белок был синтезирован и функциональен. Это показало, что аминокислоты должны быть определены группами из трех нуклеотидов. Эти нуклеотидные триплеты называются кодонами. Введение одного или двух нуклеотидов полностью изменило рамку считывания триплета, тем самым изменив сообщение для каждой последующей аминокислоты. Несмотря на то, что введение трех нуклеотидов привело к введению дополнительной аминокислоты во время перевода, целостность остальной части белка сохранялась.

В дополнение к кодонам, которые поручают добавление специфической аминокислоты в полипептидную цепь, три из 64 кодонов прекращают синтез белка и высвобощают полипептид из переводческой машины. Эти триплеты называются чепушными кодонами или прекращают кодонами. Другой кодон, АВГ, также имеет особую функцию. Помимо указания аминокислотного метионина, он также служит в качестве стартового кодона для инициации перевода. Кадр для чтения для перевода задается кудоном AUG start около конца 5′ мРНК. После начала кодона мРНК читается группами по три человека до тех пор, пока не будет обнаружен стопный кодон.

Характеристика одной аминокислоты несколькими похожими кодонами называется «дегенерация». Считается, что дегенерация является клеточным механизмом для уменьшения негативного воздействия случайных мутаций. Кодоны, определяющие одну и ту же аминокислоту, обычно отличаются лишь на один нуклеотидный. Кроме того, аминокислоты с химически похожими боковыми цепями кодируются подобными кодонами. Например, аспартат (ASP) и глютамат (Glu), которые занимают блок GA*, оба отрицательно заряжаются. Этот нюанс генетического кода гарантирует, что однонуклеотидная замещающая мутация может указать ту же аминокислоту, но не оказывает влияния или не указывает на аналогичную аминокислоту, предотвращая превращение белка в полностью нефункциональную.

Генетический код почти универсален. За некоторыми незначительными исключениями, практически все виды используют один и тот же генетический код для синтеза белков. Сохранение кодонов означает, что очищенная мРНК, кодирующая белок глобина в лошадях, может быть перенесена в тюльпанную клетку, а тюльпан синтезирует конный глобин. То, что существует только один генетический код, является мощным доказательством того, что вся жизнь на Земле имеет общее происхождение, особенно учитывая, что существует около 1084 возможных комбинаций 20 аминокислот и 64 триплета кодонов.

Этот текст был адаптирован из Openstax, Biology 2e, Глава 15.1: Генетический кодекс.