Методические указания

Для решения задачи необходимо знать такое свойство генетического кода как «вырожденность». Термин «вырожденность» – математический термин, указывающий на то, что за кодирование большинства аминокислот могут отвечать несколько кодонов м-РНК (исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются одним кодом – АУГ и УГГ соответственно для мет и три, см. табл. 3, с. 32). Вырожденность кода вовсе не означает его несовершенство, поскольку нет ни одного кодона, который бы кодировал несколько аминокислот. Напротив, вырожденность кода сводиться к его множественности для тех или иных аминокислот. Например, за кодирование лейцина (лей) и серина (сер) отвечает по 6 кодонов м-РНК, глицина (гли) и аланина (ала) – по 4 кодона, тирозина (тир) и гистидина (гис) – по 2 кодона. Если аминокислота кодируется более, чем одним кодоном, то в большинстве случает эти кодоны различаются по третьей букве, т.е. нуклеотиду на их 3′ -конце. Например, аланин (ала) кодируется триплетами ГЦ У, ГЦ Ц, ГЦ А и ГЦ Г, т.е. две первые буквы ГЦ у всех аланиновых кодонов одинаковы, а различие идет по третьей букве.

Сильная вырожденность генетического кода имеет определенный биологический смысл, поскольку она предусматривает изменение нуклеотидного состава ДНК в широких пределах с сохранением аминокислотной последовательности белков, кодируемых этой молекулой ДНК. Кроме того, вырожденность кода сводит к минимуму пагубное действие мутаций. Если бы генетический код не был бы вырожден, то из 64 кодонов м-РНК 20 кодонов кодировали бы аминокислоты, а 44 – вызывали бы терминацию (окончание) синтеза белковой цепи (мутации, приводящие к образованию сигнала терминации цепи), т.е. появлению терминирующего кодона (NON), обычно приводят к синтезу неполноценных («неактивных») белков).

Вследствие вырожденности генетического кода существуют соответствующие наборы т-РНК, взаимодействующие с комплектом кодонов м-РНК для данной аминокислоты. Такие молекулы т-РНК отличаются только третьим с 5′ - конца нуклеотидом антикодона. Такие т-РНК получили название изоакцепторных. Например, гистидиновые кодоны м-РНК (их два) узнаются соответствующими антикодонами изоакцепторных гис-т-рнк^гис:

кодон м-РНК: 5′ -ЦА У -3′ кодон м-РНК: 5′ -ЦА Ц -3′

;

антикодон т-РНК: 3′ -ГУ А -5′ антикодон т-РНК: 3′ -ГУ Г -5′

Для решения этой задачи:

1. Необходимо, пользуясь таблицей генетического кода, определить возможный перечень кодонов м-РНК, отвечающих за кодирование аминокислот данного фрагмента белка (-асп-мет-тир-).

2. Записать возможные варианты первичной структуры участка м-РНК, которые могут служить информационной матрицей для биосинтеза указанного участка белка.

3. Указать возможный перечень антикодонов молекул т-РНК, обеспечивающих включение аминокислот в белковую цепь в соответствии с информацией РНК-матрицы.

Решение. За кодирование метионина отвечает только один кодон м-РНК – АУГ. Вырожденность генетического кода для аспарагиновой кислоты и тирозина соответствует двум РНК-кодонам: для асп – ГАУ и ГАЦ, для тир – УАУ и УАЦ. Следовательно, аминокислотную последовательность фрагмента белковой цепи могут кодировать несколько нуклеотидных последовательностей м-РНК.

Участок белка: (H₂N).. – асп – мет – тир –.. (OH)

м-РНК: 5′.. – ГА У – АУ Г – УА У –.. 3′

5′.. – ГА Ц – АУ Г – УА Ц –.. 3′

5′.. – ГА У – АУ Г – УА Ц –.. 3′

5′.. – ГА Ц – АУ Г – УА У –.. 3′

Кодоны, отличающиеся только третьим нуклеотидом на их 3′ -конце, будут распознаваться соответствующими изоакцепторными т-РНК, обеспечивающими точность воспроизведения первичной структуры белковой цепи:

1. Кодоны для асп: 5′ -ГАУ-3′ и 5′ -ГАЦ-3′

;

Антикодоны асп-т-РНК ^асп: 3′ -ЦУ А -5′ и 3′ -ЦУ Г -5′

2. Кодоны для тир: 5′ -УАУ-3′ и 5′ -УАЦ-3′

Антикодоны тир-т-РНК ^тир: 3′ -АУ А -5′ и 3′ -АУ Г -5′.

Специфичность каждого кодона определяется главным образом его первыми двумя буквами; третья же буква (нуклеотид на 3′ -конце) обладает меньшей специфичностью. В связи с этим, третий нуклеотид распознается в ряде случаев неоднозначно, что может быть причиной включения в белковую цепь «ложной» аминокислоты. В коде белкового синтеза существуют семейства кодонов, отличающихся только третьей буквой (пиримидиновой или пуриновой) и кодирующих включение двух разных аминокислот. Например, кодоны фен УУ У, УУ Ц и лей УУ А, УУ Г. Поскольку существенное значение для кодирования имеют лишь два из трех нуклеотидов кодона, то код белкового синтеза по существу является квазидуплетным (условно, мнимодуплетным).

Считают, что определенный уровень ложного кодирования запрограммирован эволюционно; и в тех случаях, когда вследствие мутации изменен один из кодонов в м-РНК, он может транслироваться как неизмененный («лож во спасение»). Это помогает клеткам, в том числе и бактериальным, выжить при неблагоприятных мутациях. В физиологических условиях уровень ложного кодирования составляет 10^-4 – 10^-3 ошибок на кодон и в определенной степени увеличивает жизненную гибкость и потенциал клеток, т.е. возможность синтеза вариантов белков.

Задача 4. Фрагмент молекулы белка имеет следующую первичную структуру:..-тир-лей-лей-тир-.. Какова последовательность нуклеотидов участка гена, под контролем которого осуществляется биосинтез указанного фрагмента белка?