Транскрипция. К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити молекулы ДНК (см. § 5). Специальный фермент — РНК-полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплементарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку (рис. 22). Процесс образования иРНК называется транскрипцией (от лат. «транскрипцио» — переписывание). Если в нити ДНК стоит тимин, то полимераза включает в цепь иРНК аденин, если стоит гуанин — включает цитозин, если в ДНК стоит аденин — включает урацил (в состав РНК не входит тимин).
По длине каждая из молекул иРНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК — копия не всей молекулы ДНК, а только части ее, одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такую группу генов называют опероном. (О том, как гены объединены в оперон и как организовано управление транскрипцией, вы прочтете в § 17.)
Рис. 22. Схема образования иРНК по матрице ДНК
В начале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы — промотор. Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, РНК-полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (определенную последовательность нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков — рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.
В клетке генетическая информация передается благодаря транскрипции от ДНК к белку:
ДНК → иРНК → белок
Генетический код и его свойства. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Каким же образом иРНК кодирует (шифрует) первичную структуру белков, т. е. порядок расположения аминокислот в них? Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в иРНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называют генетическим, его расшифровка — одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК,
но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает иРНК — копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК.
Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно зашифровать лишь 4 аминокислоты, тогда как их 20 и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида).
В природе же существует трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т. е. триплетом, который получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (43=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот, и, казалось бы, 44 триплета являются лишними. Однако это не так. Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Это видно из таблицы генетического кода.
Таблица генетического кода
|
Аминокислота |
Кодирующие триплеты — кодоны |
|
Аланин |
ГЦУ ГЦЦ Г ДА ГЦГ |
|
Аргинин |
ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ |
|
Аспарагин |
ААУ ААЦ |
|
Аспарагиновая |
|
|
кислота |
ГАУ ГАЦ |
|
Валин |
ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ |
|
Гистидин |
ЦАУ ЦАЦ |
|
Глицин |
ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ |
|
Глутамин |
ЦАА ЦАГ |
|
Глутаминовая |
|
|
кислота |
ГАА ГАГ |
|
Изолейцин |
АУУ АУЦ АУА |
|
Лейцин |
ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ |
|
Лизин |
ААА ААГ |
|
Метионин |
АУГ |
|
Пролин |
ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ |
|
Серин |
УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ АГУ АГЦ |
|
Тирозин |
УАУ УАЦ |
|
Треонин |
АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ |
|
Триптофан |
УГГ |
|
Фенилаланин |
УУУ УУЦ |
|
Цистеин |
УГУ УГЦ |
|
Знаки препинания |
УГА УАГ УАА |
Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Как видно из таблицы генетического кода, триплеты ГУ А или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. К чему приводит такая замена, вы знаете из предыдущего параграфа.
Между генами имеются знаки препинания. Каждый ген кодирует одну полипептидную цепочку. Поскольку в ряде случаев иРНК является копией нескольких генов, они должны быть отделены друг от друга. Поэтому в генетическом коде существуют три специальных триплета (УАА, УАГ, У ГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.
Код неперекрываем и внутри гена нет знаков препинания. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы:
жил был кот тих был сер мил мне тот кот
Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица:
илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от
Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.
Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.
1. Какой принцип лежит в основе процесса синтеза иРНК?
2. Что называют генетическим кодом? Перечислите основные свойства генетического кода.
3. Объясните, почему синтез белка происходит не непосредственно по матрице ДНК, а по иРНК.
4. Используя таблицу генетического кода, нарисуйте участок ДНК, в котором закодирована информация о следующей последовательности аминокислот в белке: — аргинин — триптофан — тирозин — гистидин — фенилаланин —.