2.4: Центральна догма та генетичний код

«Центральна догма»

Ми бачили, як ДНК за допомогою специфічних полімераз і допоміжних білків здатна відтворюватися. Ми також бачили, як ми можемо використовувати цю інформацію для створення автономно реплікуючих екстрахромосомних елементів (тобто плазмід). Однак реальна корисність таких систем виникає, коли ми використовуємо їх для створення цікавлять білків. Щоб дістатися до білків, ми повинні спочатку пройти РНК.

Малюнок 2.4.1: Центральна догма

Структурні особливості РНК:

1. Подібно до ДНК, за винятком того, що вона містить 2' гідроксильну групу (робить фосфодіефір зв'язок більш лабільним, ніж ДНК).
2. Тимін в ДНК замінюється урацилом в РНК

Малюнок 2.4.2: Тимін проти Урацилу

3. РНК може приймати регулярні тривимірні структури, які дозволяють їм функціонувати в процесі генетичної експресії (тобто вироблення білків).

• Ця здатність приймати визначені тривимірні структури, які надають функціональність, ставить РНК в унікальний клас - дещо схожий на білки, і відрізняється від ДНК.
• Наприклад, деякі молекули РНК у складеному вигляді виявляють каталітичні здібності (наприклад, розщеплення молекул РНК).
• Більшість РНК в клітині міститься в комплексах з білками. Найпоширеніший приклад - рибосоми (беруть участь в синтезі білка).

Транскрипція: копіювання ДНК РНК-полімеразою для створення РНК.

РНК-полімераза:

• Може ініціювати нову нитку нуклеїнової кислоти за заданим шаблоном.
• ДНК-полімерази не можуть; вони вимагають ґрунтовки (або, як правило, РНК-полімерази для забезпечення праймера).

Синтез білка

• Три види молекул РНК виконують різні функції в білковому синтезуючому апараті:

1. Messenger РНК (мРНК) кодує генетичну інформацію, скопійовану з ДНК, у вигляді послідовності основ, яка визначає послідовність амінокислот
2. Перенесення РНК (тРНК) є частиною структурної машини, яка розшифровує код мРНК. Вони несуть специфічні амінокислоти, які передаються до нацентного поліпептиду відповідно до інструкцій, що містяться в мРНК.
3. Рибосомна РНК (рРНК) утворює комплекс зі специфічними білками для формування рибосоми, яка є ключовим поступальним компонентом.

• • рибосомні комплекси з мРНК і направляє відповідні тРНК і синтез поліпептидного зв'язку.

Переклад:

Процес, за допомогою якого інформація, що міститься в мРНК, використовується для направлення синтезу відповідного поліпептиду.

Генетичний код

Як зберігається інформація для поліпептидної послідовності всередині молекули мРНК? Існує двадцять різних поширених амінокислот, але тільки чотири різних основи в РНК (A, C, G і U).

Розташування підстави	можливі комбінації
1	4 ^1 = 4
2	4 ^2 = 16
3	4 ^3 = 64
4	4 ^4 = 256

Триплетна компоновка здавалося б мінімально можливою комбінацією, необхідною для кодування 20 різних амінокислот. Хоча, очевидно, буде багато кодонів «залишилося». Більшість амінокислот кодуються більш ніж однією унікальною триплетою, і тому генетичний код, як кажуть, вироджений.

Експерименти, які привели до вирішення генетичного коду:

Ніренберг і Метей (1961): Ніренберг і Метей працювали з бактеріальними екстрактами, які містили все необхідне для перекладу, за винятком мРНК. До цього вони додали або полі А, полі U або полі С РНК. Були визначені білки, що утворюються при перекладі цих РНК (полі G не працював, ймовірно, через конформаційні проблеми):

Полі U	Полі А	Полі С
Фе	Лис	Pro

Таким чином, триплет UUU = Phe, AAA = Lys, а CCC = Pro.

Корана (1963): У системі вільних екстрактів клітин Корана додала мРНК з повторюваними нуклеотидними послідовностями. Послідовність... ACACACAC... призвела до поліпептиду з чергуванням залишків треоніну та гістидину. Але, треонін був закодований ACA, а гістидин САС? Або навпаки? Щоб визначити відповідь на це, була спробована послідовність мРНК... AACACAACAACAAC.... Існували три різні можливі кадри читання для перекладу цієї мРНК:

• AAAC AAC
• АКА-АКА АХАКА
• КАСА КАА КАА

Але CAC не був можливою трійкою. Ця послідовність була знайдена для коду трьох різних поліпептидних ланцюгів: полі Asn, полі Thr та Poly Gln. Оскільки гістидин не був знайдений, тому гістидин був закодований для триплет CAC.

Ніренберг і Ледер (1964): Ніренберг і Ледер використовували фільтр, який дозволив би триплетам РНК і зарядженим тРНК проходити, але запобігає проходженню більших рибосом. Специфічні послідовності триплетних РНК зв'язувалися б з рибосомами і спричиняли зв'язування асоційованих заряджених молекул тРНК (кодуються конкретним триплетом). У даному експерименті, якщо унікальні заряджені тРНК були радіомарковані (на амінокислоті), то можна було б визначити, чи пов'язана ця конкретна заряджена тРНК унікальним триплетом. Таким чином були визначені всі 61 кодон для амінокислот.

Малюнок 2.4.3: Експеримент Ніренберга і Ледера

Генетичний код

5' Кінець (Початок)	Друга позиція				3' Кінець
	U	C	А	Г
U	Ет 0,24	Сер 0.34	Тир 0.25	Цити 0.49	U
	Етап 0,76	Сер 0.37	Тир 0,75	Цити 0.51	C
	Лей 0.02	Сер 0.02	Зупинка	Зупинка	А
	Лей 0.03	Сер 0.04	Зупинка	Поїздка 1.00	Г
C	Лей 0,04	Про 0.08	Його 0,17	Арт 0.74	U
	Лей 0,07	Про 0.00	Його 0,83	Арт 0.25	C
	Лей 0.00	Про 0.15	Глен 0,14	Арт 0.01	А
	Лей 0,83	Про 0.77	Глен 0,86	Арт 0.00	Г
А	Іль 0.17	Тр 0,35	Асн 0.06	Сер 0.03	U
	Іль 0.83	Тр 0.55	Асн 0,94	Сер 0.20	C
	Іль 0.00	Чт 0.04	Ліс 0,74	Арт 0.00	А
	Мет (старт) 1.00	Чт 0.07	Ліс 0,26	Арт 0.00	Г
Г	Вал 0.51	Ала 0.35	Жерех 0,33	Листи 0,59	U
	Вал 0.07	Ала 0.10	Жерех 0,67	Глибокий 0,38	C
	Вал 0.26	Ала 0.28	Клей 0,78	Святий 0.00	А
	Вал 0.16	Ала 0.26	Клей 0,22	Глі 0,02	Г

Примітка

Вказуються переваги кодону кишкової палички.

Всі білки в прокаріотів і еукаріотів починають трансляцію з ініціатора кодону AUG (метіонін). Три кодони, UAA, UGA та UAG - це кінцеві кодони (не кодуйте будь-які амінокислоти, але сигналізують про кінець білкового ланцюга).

Зверніть увагу на очевидну відносну важливість середньої основи в триплеті кодона.

Середня база в кодонової трійці

U	C	А	Г
Фе Лей Іль Зустріли Вал	Сер Про Thr Ала	Тир Його Глен Асн Лис Жерех Глю Зупинка	Cys Трп Арг Сер Гли Зупинка
Гідрофобні	Малий/Полярний	Заряджений/Полярний	Полярний

Чи можуть загальні білкові архітектури бути візерункові за допомогою простого четвертинного візерунка залишків?

Двадцять поширених амінокислот та їх трилітерні та однобуквені абревіатури:

Амінокислота	Абревіатура з трьох літер	Абревіатура з однією буквою
Аланін	Ала	A
Цистеїн	Cys	C
Аспарагінова кислота	Жерех	D
глутамінова кислота	Глю	Е
Фенілаланін	Фе	F
Гліцин	Гли	Г
Гістидин	Його	Ч
Ізолейцин	Іль	Я
Лізин	Лис	К
лейцин	Лей	Л
Метіонін	Зустріли	М
аспарагін	Асн	П
Пролін	Про	Р
Глютамин	Глен	Q
Аргінін	Арг	Р
Серин	Сер	S
Треонін	Thr	Т
Валін	Вал	V
Триптофан	Трп	Ш
тирозин	Тир	У