Читать книгу От истока генетического кода к технологиям грядущего лидерства - - Страница 4

Наиболее распространенным способом визуализации генетического кода является круговая диаграмма (Рис. 2) [1]. Каждый кодон представляет собой тройку нуклеотидов, что обеспечивает максимально 64 (4x4x4) возможные комбинации. В круговой диаграмме триплеты генетического кода, представленные первыми тремя кругами с буквами, начинаются из центра диаграммы и располагаются по направлению к периферии. Каждый круг представляет собой один из четырёх нуклеотидов в кодоне: аденин (A), урацил (U), цитозин (C) или гуанин (G). Например, если рассматривать триплет AUG (start-кодон, помеченный треугольником), то первый круг будет содержать А, второй – U, и третий – G. Периферийный круг содержит информацию об аминокислотах, которые соответствуют каждому кодону.

Рис. 2: Визуализации генетического кода с помощью круговой диаграммы.

Считается, что такое визуальное представление наглядно представляет структуру генетического кода и его связь с кодируемыми аминокислотами. Рассмотрим особенности генетического кода, используя данную диаграмму.

Несколько кодонов могут одновременно кодировать одну и ту же аминокислоту. Это называется дегенерацией генетического кода. Три аминокислоты аргинин (Arg), серин (Ser) и лейцин (Leu) кодируются шестью кодонами каждая. Большинство аминокислот имеют четное количество кодонов, за исключением триптофана (Trp) и метионина (Met), которые представлены всего одним кодоном, а также изолейцина, который имеет три кодона.

Существуют специальные кодоны, такие как AUG (кодон старта), который начинает процесс трансляции, и UAA, UAG, и UGA (стоп-кодоны), которые завершают синтез белка. Кодон старта кодирует аминокислоту метионин, а стоп-кодоны не кодируют ни одну из канонических аминокислот, представленных на диаграмме.

В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон (нобелевские лауреаты по физиологии и медицине 1962 года за открытие двойной спирали ДНК совместно с Морисом Уилкинсом) предложили модель структуры ДНК в виде двойной спирали, что стало ключевым событием в истории молекулярной биологии. Сразу после полной расшифровки таблицы генетического кода они заметили, что третья позиция кодона часто является «вариабельной» (третий круг в круговой диаграмме). Это означает, что изменения в этой позиции могут не привести к замене аминокислоты. Например, кодоны AAG и AAA кодируют аминокислоту лизин (Lys), а кодоны AAC и AAU аминокислоту аспарагин (Asn). В этом случае изменения в третьей позиции G на А или U на C не изменят закодированную аминокислоту.

Некоторые отклонения от универсального генетического кода были обнаружены в прокариотах (археях и бактериях) и митохондриях – мембранных органеллах, присутствующих внутри клеток живых организмов. Например, метаногенные археи приспособили стоп-кодон UAG для кодировки неканонической (не входящей в число 20 аминокислот на представленной диаграмме) аминокислоты пирролизин (Pyl). Считается, что отклонения от стандартного генетического были вызваны адаптацией микроорганизмов к своему уникальному образу жизни, например выработке метана как побочного продукта анаэробного дыхания или энергетической функции как в случае митохондрий. Важно отметить, что несмотря на такие отклонения, стандартный генетический код остается широко распространенным и применяется в большинстве случаев в живой природе в самых разнообразных условиях обитания клеток.

Особый интерес вызывает то, как аминокислоты в генетическом коде разделяются по степени их взаимодействия с водой – на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные аминокислоты легко образуют водородные связи и активно взаимодействуют с полярными молекулами воды. Гидрофобные аминокислоты, наоборот, отталкивают воду. Боковые цепи гидрофобных аминокислот содержат главным образом неполярные углеводородные группы. Эти аминокислоты предпочитают взаимодействовать с другими гидрофобными группами, образуя гидрофобные, свободные от молекул воды области внутри белковой структуры. Внутри клетки белки обычно складываются таким образом, чтобы гидрофильные части обращены наружу и взаимодействуют с окружающей водой, а гидрофобные части формируют структурные элементы внутри белка.

С момента открытия таблицы генетического кода была выявлена удивительная взаимосвязь между гидрофобностью аминокислот и вторым основанием их кодона. Все кодоны, содержащие второе основание U, соотносятся с наиболее гидрофобными аминокислотами, в то время как кодоны с основанием A связаны с наиболее гидрофильными аминокислотами [2]. Отметим, что U и A являются комплементарными базами-основаниями. Это означает, что они могут образовывать селективные водородные связи друг с другом при взаимодействии между молекулами РНК, образуя пары. В этой паре урацил всегда связывается с аденином, что гарантирует правильное считывание при передаче информации в процессе трансляции.

Как видно, распределение аминокислот по кодонам в генетическом коде не является случайным. Нам еще предстоит разобраться, чем обусловлены эти особенности.