Соответствие между последовательностью нуклеотидов в гене и последовательностью аминокислот в белке устанавливается с помощью ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА. В нуклеотидной последовательности должно быть достаточно кодирующих единиц, чтобы закодировать 20 аминокислот.
Но в ДНК содержится только 4 разных основания, и это означает, что аминокислота должна быть закодирована более чем одним основанием.
Если бы два основания определяли одну аминокислоту, то в ДНК могло бы быть закодировано только 42 = 16 видов аминокислот. Поскольку этого недостаточно, генетический код должен быть триплетен, т.е. каждой аминокислоте должны соответствовать три расположенных последовательно основания. Поскольку число возможных триплетных комбинаций составляет 43 = 64, то существование триплетного кода предполагает, что либо не все триплеты участвуют в кодировании аминокислот, либо некоторые аминокислоты кодируются более чем одним триплетом. В генетических экспериментах была доказана триплетная природа генетического кода и показано, что почти все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом.
Генетический код представлен в таблице 11. Последовательность из трех нуклеотидов, соответствующая одной аминокислоте, называется КОДОНОМ. Последовательность кодонов читается непрерывно, начиная с фиксированной стартовой точки на одном конце гена, и заканчивается в точке терминации на другом конце гена. Последовательность нуклеотидов прочитывается в направлении от 5'-конца к 3'- концу и соответствует аминокислотной последовательности, записанной в направлении от N-конца к С-концу.
Важнейшими свойствами генетического кода являются его универсальность и вырожденность. Генетический код универсален для всех живых организмов как прокариотических, так и эукариотических. Это подтверждается существованием гетерологических систем трансляции, т.е. когда мРНК одного организма правильно прочитывается in vivo или in vitro белок-синтезирующим аппаратом организма совсем другого вида, типа или царства. Исключения из универсальности генетического кода были обнаружены в митохондриях некоторых видов. У них было обнаружено одно общее изменение: кодон UGA читается так же, как UGG, и кодирует триптофан. У дрожей кодон CUA и, возможно, все семейство кодонов, начинающиеся с дуплета CU, кодируют треонин вместо лейцина. У млекопитающих AUA имеет то же значение, что AUG, и означает метионин вместо изолейцина, а кодоны AGA и AGG вызывают терминацию цепи, а не кодируют аргинин. Однако это - редкие исключения и, игнорируя их, можно предполагать, что универсальность кода свидетельствует о том, что он сложился очень рано в процес се эволюции. То, что 20 аминокислот представлены 61 кодоном, означает, что генетический код вырожденный. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов.
Число кодонов для одной аминокислоты достаточно хорошо отражает частоту встречаемости данной аминокислоты в белках. Как видно на рис. 129, такая корреляция наблюдается для всех аминокислот, за исключением аргинина, поскольку в эукариотической ДНК дуплет CG встречается редко. Поэтому четыре кодона, соответствующие аргинину, которые начинаются с этого дуплета, встречаются реже, чем следовало бы ожидать. Другой особенностью кода является тенденция к группировке кодонов, соответствующих одной аминокислоте. Часто основание в третьем положении кодона оказывается несущественным для его специфичности. Одна аминокислота может быть представлена четыремя кодонами, различающимися только по третьему основанию.
Иногда различие состоит лишь в предпочтении пуринового основания пиримидиновому в этом положении. Меньшую специфичность этого положения в кодоне называют вырожденностью третьего основания. Эта особенность, а также тенденция к сходству кодонов у аминокислот одного типа (т.е. полярных, гидрофобных и т.д.) сводят до минимума эффект мутаций. При такой организации кода случайно возникшая замена основания с большей вероятностью (чем при случайном подборе кодонов) приведет к замене на сходную по свойствам аминокислоту или же замены не произойдет вовсе.
Задача 40. На планете UX-153 живые существа состоят из белков, содержащих 40 аминокислот, а их ДНК содержит только три вида нуклеотидов. Какие предположения можно сделать о генетическом коде, используемым этими организмами?
Задача 41. На планете ZJ-578 все живые организмы можно разбить на две группы по набору аминокислот, которые используются ими для построения белков. Часть аминокислот в этих наборах одинакова для обоих групп, а остальные строго специфичны для каждой группы. Какие предположения можно сделать о генетическом коде, используемым этими организмами, если нуклеотидный состав ДНК в обеих группах одинаков?