Генетический код, активация аминокислот
Большая часть генетической информации,
содержащейся в ДНК, кодирует последовательность аминокислот. Процесс экспрессии
генетической информации включает транскрипцию «текста», записанного на «языке
нуклеиновой кислоты», в текст, записанный на «языке белков». Таково
происхождение термина трансляция (дословно — перевод), используемого для
обозначения процесса биосинтеза белков. Правила, которым следует трансляция,
называют генетическим кодом.
Поскольку в биосинтезе участвуют 20 аминокислот, называемых
протеиногенными, «язык» нуклеиновых кислот должен содержать по крайней мере
20 слов (кодонов) Однако в аминокислотном «алфавите» имеется только четыре
«буквы» (А, Г, Ц и У или Т [или в англ. транскрипции: A, G, С и U или Т*]),
так что для получения 20 различных слов каждое должно состоять по крайней мере
из трех букв. Кодоны действительно включают три азотистых основания (триплет
нуклеотидов). На схеме 1 представлен стандартный
код ДНК (последовательность триплетов в некодирующей цепи), изображенный
в виде круга. Схема читается от центра наружу, так что, например, триплет CAT
кодирует аминокислоту гистидин. ДНК-кодоны идентичны таковым в мРНК (mRNA),
за исключением того, что в мРНК вместо урацила (U), характерного для ДНК, стоит
тимин (Т).
В качестве примера прочтения кода на
схеме 2 показаны короткие участки нормального и мутантного гена β-глобина вместе
с соответствующими последовательностями мРНК и аминокислот. Здесь показаны
относительно часто встречающиеся точковые мутации, в результате которых остаток
глутаминовой кислоты в положении 6 β-цепи заменен на валин. Такой мутантный
гемоглобин в дезоксиформе склонен к агрегации, что вызывает деформацию
эритроцитов и уменьшает эффективность транспорта кислорода
(серповидноклеточная анемия).
В триплетном генетическом коде для 20
аминокислот потенциально существует 43 = 64 кодона. Таким образом,
большинство аминокислот записывается несколькими кодонами, т. е. генетический
код является вырожденным. Кроме того, имеются три триплета, которые
обозначают конец транскрипции (стоп-кодоны). Еще один специальный кодон,
стартовый (инициирующий) кодон, маркирует начало трансляции. Генетический
код, показанный на рисунке, является почти универсальным. Этому стандарту не
полностью соответствуют только митохондрии (см. с. 212) и некоторые
микроорганизмы.
Б. Активация
аминокислот
Для каждой из 20 аминокислот имеется
соответствующая аминоацил-тРНК-лигаза, которая в цитоплазме соединяет
аминокислоту с тPHK(tRNA) (см. с. 88). Этот процесс активации аминокислот
осуществляется в две стадии. Сначала аминокислота связывается с ферментом и
реагирует с АТФ (АТР), образуя макроэргический смешанный ангидрид —
аминоациладенилат. Затем аминоацильный остаток переносится на концевую
3'-ОН-группу концевого остатка рибозы тРНК (другой группой лигаз аминоацил
переносится на 2'-ОН-группу). В аминоацил-тРНК карбоксильная группа
аминокислотного остатка этерифицируется остатком рибозы 3'-концевого остатка
аденозина, входящего в последовательность ...ССА-3'.
Точность трансляции зависит, прежде
всего, от субстратной специфичности аминоацил-тРНК-лигаз. Корректирующий
механизм активного центра лигазы обеспечивает немедленное удаление ошибочно
присоединенных аминокислотных остатков. В среднем встречается только одна ошибка
на 1300 аминокислотных остатков — поразительно высокая точность «работы», если
представить, насколько близки структуры некоторых аминокислот.
В. Asp-тРНК-лигаза
(димер)
Процесс активации аминокислот
представлен на примере лигазы, специфичной для аспарагиновой кислоты. Молекулы
фермента (окрашены в оранжевый цвет) связаны между собой в димер, причем каждая
субъединица ассоциирована с одной молекулой тРНК (окрашены в голубой цвет). В
активном центре присутствует остаток АТФ (окрашен в зеленый цвет), связанный с
3'-концом тРНК Другой домен белка (слева вверху) отвечает за «узнавание»
антикодона тРНК.
_______
* Эти буквы обозначают основания, входящие в нуклеотиды,
и происходят от их английских названий: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С)
и урацил (U) или тимин (Т). — Прим. ред.