, тирозину, гистидину и цистеину — по два, а метионину и триптофану — по одному кодону. Три кодона — UAA, UAG и UGA — не соответствуют ни одной из аминокислот. Они являются сигналами для Прекращения синтеза полипептидной цепи: их называют кодонамг^-терминатора-ми. В восьми случаях природа кодируемой аминокислоты однозначно определяется первыми двумя нуклеотидами кодона: UC — серии, АС — треонин, CU — лейцин, GU — валин, СС — пролин, CG — аргинин, GC — аланин и GG — глицин В большинстве остальных случаев природа кодируемой аминокислоты определяется 172

Таблица 5.2.Генетический код

Кодон ¦ Аминокислота Кодон Аминокислота Кодон Аминокислота Кодон Аминокислота

иии Phe UCU UCC UAU UAC Tyr UGU UGC Cys

иис UUA UUG Leu UCA UCG Ser UAA UAG - UGA UGG Trp

сии cue Leu ecu ccc Pro CAU CAC Hie CGU CGC Arg

CUA CCA CCG CAA CAG Gb CGA CGG AUU АТТР ACU ACC AAU AAC Asn AGU AGC Set

AUA lie АСА Thr AAA Lye AGA Arg

AUG Met ACG AAG AGC GUU GUC Val ! ! i GCU GCC Ala GAU GAC Asp GGl GG( J Gly

GUA GUC GCA I GCG GAA GAC Glu J GGi GG 1

первыми двумя нуклеотидами кодона и тем, является ли третий нуклеотид пури-новым или пиримидиновым. Например, кодоны AAA и AAG кодируют лизин, а кодоны AAU и ААС — аспарагин. Исключениями из этих общих правил являются изолейцин, кодируемый тремя тринуклеотидами AW, AUC и AUA, метионин, кодируемый тринуклеотидом AUG, и триптофан, кодируемый тринуклеотидом UGG.

Расшифровка генетического кода открыла перед исследователями ряд новых интересных возможностей. Информация, получаемая при установлении первичной структуры генов, может с помощью генетического кода легко переводиться в информацию о структуре кодируемого белка. Это в ряде случаев весьма существенно, так как техника секвенирования ДНК на сегодняшний день существенно проще, чем для белков. Правда, для такого перевода необходимо решить несколько нетривиальных задач. Во-первых, нужно правильно разбить установленную нуклеотидную последовательность на кодоны. Во-вторых, нужно найти положение кодона, соответствующего первой аминокислоте полипептидной цепи.

173

Наконец, в случае эукариотических ДНК нужно выяснить положение интронов.

Из трех возможных разбиений нуклеотидной последовательности на кодоны выбрать правильное часто удается по наличию при этом разбиении открытой рамки считывания — последовательности кодонов, среди которых на большом протяжении не встречается кодонов-терминаторов. Для случайной последовательности вероятность появления в определенном месте кодона^герминатора достаточно велика — 3/64, или около 0,05. Для определения положения первого кодона, участвующего в программировании полипептидной цепи, можно определить в исследуемом белке методом Эдмана несколько аминокислотных остатков с ?-конца и затем найти на полинуклеотиде адекватную последовательность кодонов. В случае наличия или подозрений о наличии интронов лучше всего иметь дело не с геном, а с ДНК, комплементарной зрелой информационной РНК, в которой в результате сплайсинга участки, соответствующие интронам и поэтому не принимающие участия в кодировании·.полипептидной цепи, отсутствуют. Такую комплементарную ДНК можно получить с помощью так называемой обратной транскрипции — матричного синтеза ДНК по информации, содержащейся в мРНК с помощью ферментов обратной транскрипции, содержащихся в некоторых вызывающих опухоли вирусах, например в вирусе птичьего миелобластоза.

Большие успехи в синтезе олиго- и полидезоксирибонуклеотидов в сочетании со знанием генетического кода позволяют химически синтензировать гены для произвольного белка с известной первичной структурой. Эти гены могут быть использованы для синтеза этого белка бактериями или клеточными культурами после введения его в клетки методами генетической инженерии (см. § 7.11).

5.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МАТРИЧНОГО БИОСИНТЕЗА

Тремя главными матричными процессами, присущими всем без исключения живым организмам, являются репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Репликация ДНК происходит с участием ферментов ДНК-полимераз. Роль матриц играют разделенные цепи двунитевой материнской ДНК. Субстратами являются дезоксирибонуклеозид-5 -трифосфаты. Транскрипция осуществляется с помощью ферментов РНК-полимераз. Матрицей служит одна из нитей двунитевой ДНК, а субстратами — рибонуклеозид-5 '-трифосфаты. Трансляция происходит на рибосомах с участием информационной РНК (мРНК) в качестве матрицы и аминоацил-тРНК в качестве субстратов. Кроме того, при заражении клеток вирусами, у которых наследственная информация содержится в молекулах вирусных РНК, в клетках начинается запрограммированный этими РНК синтез ферментов, называемых обычно РНК-репликазами, которые катализируют биосинтез РНК, используя в качестве матриц молекулы РНК. Некоторые вирусы, вызывающие злокачественные новообразования, содержат ферменты, катализирующие обратную транскрипцию — синтез ДНК с использованием в качестве матриц молекул РНК. Эти ферменты часто называют обратными транскриптазами или ревертазами. Более строгие названия двух последних групп ферментов соответственно — ?НК-зависимая РНК-полимер аза и РНК-зависимая ДНК полимераза.

Синтез полимерной цепи складывается из трех основных элементов: инициации, элонгации и терминации.

Инициацией называют процесс, в котором образуется первая связь между

174

мономерными звеньями создаваемой полимерной цепи. Истинная инициация отличается от остальных стадий биосинтеза биополимера тем, что в ней принимают участие две молекулы мономера, в то время как ка всех дальнейших стадиях одним из субстратов является растущая цепь полимера, т. е. олигомер или полимер. Ни в случае ДНК, ни в случае мРНК инициация, как правило, не начинается непосредственно в точке физического начала полимерной цепи матрицы. На матрице имеется специальный сигнал или группа сигналов, позволяющие ферменту опознать кодирующий элемент, с которого начинается информация о синтезируемой цепи биополимера.

Чтобы синтез прекратился в определенном месте, необходимо, чтобы в этом месте присоединение очередного мономерного звена оказалось невозможным. Поскольку конец продукта чаще всего не соответствует концу матрицы, на ней должен быть специальный сигнал, обеспечивающий прекращение роста цепи, т. е. терминацию. В предыдущем параграфе уже говорилось, что в случае биосинтеза белка такими сигналами являются специальные кодоны ^герминаторы.

При нормальном развитии процесса на каждый акт инициации и терминации биосинтеза приходится большое число актов элошации, т. е. соединения очередного мономера с растущей цепью. Каждый акт элонгации проходит в активном центре соответствующей полимеразы нуклеиновых кислот или рибосомы, причем его непосредственными участниками являются концевая группа синтезируемого полимера, кодирующий элемент матрицы и очередная молекула мономера. Все эти участники должны быть закреплены определенным образом в активном центре полимеразы или рибосомы. Вытекающая из этих соображений схема активного центра матричного фермента представлена на рис. 48. По аналогии с активными центрами других, более просто устроенных ферментов можно ожидать, что такой активный центр должен быть уникальным.

Каждый акт элонгации цепи должен начинаться с отбора субстрата (рис. 49). Скорее всего этот процесс происходит путем перебора всех альтернативных субстратов, присутствующих в системе. Для этой цели активный центр должен обладать сродством к универсальной части субстратов, которая имеется у всех типов мономеров. Так, у нуклеозит-5 '-трифосфатов такой частью является трифосфат-ный фрагмент и остаток рибозы или дезоксИрибозы. Попадание в активный Центр нужного субстрата, опознаваемого кодирующим элементом матрицы, является сигналом для осуществления ферментативной реакции соединения мономерного фрагмента с концом синтезируемой полимерной цепи. В чем заключается природа этого сигнала, до настоящего времени не установлено. Можно лишь полагать, что взаимодействие мономера с кодирующим элементом, например образование водородных связей между комплементарными гетероциклами субстрата и матрицы, вызывает конформационное изменение, приводящее к нужной ориентации реагирующих групп и соответствующих групп каталитического цент-Ра фермента или рибосомы.

После того как присоединился очередной мономер, последний становится

175

Рис.. 48. Схема, активного центра матричного фермента:

/ - участок связывания кодирующего элемента матрицы: -участок связывания мономера; .У - участок связывания конца растущей цепи; J, — область опознавания мономера кодирующим элементом

Рис. 49. Схема процессов, происходящих в активном центре матричного фермента, при элонгации:

? - кодирующие элементы матрицы; X - мономерные звенья растущей цепи; X * - свободный мономер; 1 - отбор мономеря; 2 - образование химической связи; 3 - транслокация

концом растущей цепи, который в результате занимает участок отбора мономера. Кроме того, при правильном протекании процесса каждый кодирующий элемент должен участвовать в одном акте роста цепи и затем уступить свою роль непосредственно следующему за ним кодирующему элементу. Поэтому после присоединения мономера в участке связывания кодирующего элемента оказывается уже прочитанный фрагмент матрицы. Иными словами, система оказывается не готовой для следующего акта элонгации. Чтобы сделать его возможным, необходимо перемещение растущей цепи с освобождением участка отбора мономера и одновременно перемещение матрицы на один кодирующий элемент. Такое перемещение матрицы и продукта называется транслокацией. Таким образом, каждый акт элонгации складывается из трех основных элементов: отбора мономера, химического превращения и транслокации. Фактически, по крайней мере в случае биосинтеза белков, элонгация является еще более сложным событием, требующим участия специальных белковых факторов и расходования энергии. Несколько подробнее этот вопрос рассмотрен в § 5.6.

Проведенное рассмотрение,