Генетический код

Генетический код
• Способ записи информации о
последовательности аминокислот
белков через последовательность
нуклеотидов ДНК и РНК.
ПЛАН ЛЕКЦИИ
•
•
•
•
1) Определение понятия
2) История и способы расшифровки
3) Свойства генетического кода
4) Исключения
Генетический код
Последовательность нуклеотидов (всего 4) →
последовательность аминокислот (всего 20)
Соответствие задается набором правил, которые можно
представить в виде кодовой таблицы
Ala/A
GCU, GCC, GCA, GCG
Leu/L
UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg/R
CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Lys/K
AAA, AAG
Asn/N
AAU, AAC
Met/M
AUG
Asp/D
GAU, GAC
Phe/F
UUU, UUC
Cys/C
UGU, UGC
Pro/P
CCU, CCC, CCA, CCG
Gln/Q
CAA, CAG
Ser/S
UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu/E
GAA, GAG
Thr/T
ACU, ACC, ACA, ACG
Gly/G
GGU, GGC, GGA, GGG
Trp/W
UGG
His/H
CAU, CAC
Tyr/Y
UAU, UAC
AUU, AUC, AUA
Val/V
GUU, GUC, GUA, GUG
AUG
STOP
UAA, UGA, UAG
Ile/I
START
История расшифровки
генетического кода
• «Расшифровка генетического кода – одно из самых
выдающихся научных открытий 20-го века!» В.А. Ратнер
В 1944 г. физик-теоретик Э.Шредингер
сформулировал необходимость кодирования
наследственной
информации
Эрвин Шредингер
(1887-1961)
История расшифровки
генетического кода
Сразу после установления модели двойной спирали
(1953 г):
Текст (линейная последовательность) из 4 букв →
текст (линейная последовательность) из 20 букв
Код должен быть трехбуквенным!
Двухбуквенный код закодирует только 16
аминокислот, тогда как трехбуквенный сможет
закодировать 64!
Георгий Антонович
Гамов
(1904-1968)
История расшифровки
генетического кода
Эксперимент Крика и других (1961) (изучение профлавин- индуцированных
мутаций фага T4)- доказательство триплетности генетического кода,
отсутствия знаков препинания между триплетами, неперекрываемости
триплетов, вырожденности
История расшифровки
генетического кода
•
Машалл Ниренбег и Генрих Маттэй – создание бесклеточных
систем трансляции (1961 г)
• Полиурацил (UUUU… ) транслируется в
полифенилаланин (FFFFF…)
UUU→Phe
Генрих Маттэй (род. 1929) и
Машалл Ниренбег (1927-2010)
История расшифровки
генетического кода
• Эксперимент Маршалла Ниренберга и Филипа Ледера (1964 г)
• Комбинации мРНК и олигорибонуклеотидов с рибосомами
связывали определенные тРНК с мечеными аминокислотами
• Расшифровка кода до конца!
•
Маршалл Ниренберг
•
Гобинд Корана
•
Роберт Холли
Нобелевская премия по физиологии и
медицине в 1968 году
• 1966 г. – на симпозиуме в Колд-Спринг-Харборе Фрэнсис
Крик представил результат коллективного труда нескольких
лабораторий – таблицу генетического кода E.coli.
Свойства генетического кода
• Триплетность
• Неперекрываемость
• Отсутствие межкодонных знаков препинания
• Наличие межгенных знаков препинания
• Однозначность
• Вырожденность (избыточность)
• Помехоустойчивость
• Универсальность
Триплетность
• Триплет = кодон – последовательность трех нуклеотидов,
кодирующих одну аминокислоту
5’ - AUC - 3’
• Число возможных триплетов – 64
Неперекрываемость
Ф.Крик и др. (1961)
-триплетность генетического
кода
-отсутствие знаков
препинания между
кодонами
-неперекрываемость
триплетов
Сдвиг рамки считывания
Наличие межгенных знаков препинания
• Знак начала гена –лидерная последовательность
(Shine–Dalgarno sequence)+ старт-кодон АУГ
• с кодона АУГ (иногда ГУГ, УУГ) начинается синтез
любого белка. В начале гена прокариот он кодирует
особую аминокислоту формилметионин.
• Если АУГ, ГУГ и УУГ встречаются в середине генов,
они кодируют метионин, валин и лейцин,
соответственно.
• Знак окончания гена – три СТОП-кодона
• СТОП-кодоны не кодируют аминокислот и синтез
белка на них прекращается (UAA, UAG, UGA).
Наличие межгенных знаков препинания
Однозначность
(специфичность)
Определённый кодон соответствует только одной аминокислоте.
Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и
селеноцистеин
Инфузория Euplotes crassus
Вырожденность
(избыточность)
• одной и той же аминокислоте может соответствовать
несколько кодонов.
Griffiths et al. 2004
Помехоустойчивость
Определение: мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой
аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене
класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными
В каждом триплете можно провести 9 однократных замен.
Общее количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549.
Из них:
23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов
трансляции,
134 замены не меняют кодируемую аминокислоту,
230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты.
162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т.е. являются
радикальными.
Из 183 замен 3-его нуклеотида 7 приводят к появлению терминаторов
трансляции, а 176 - консервативны.
Из 183 замен 1-ого нуклеотида 9 приводят к появлению терминаторов, 114 консервативны и 60 - радикальны.
Из 183 замен 2-го нуклеотида 7 приводят к появлению терминаторов, 74 консервативны, 102 - радикальны.
Итак: 364/162=2.25 (отношение числа консервативных замен к числу
радикальных замен) - показатель помехоустойчивости генетического кода.
отрицательно заряженные
• Регулярность и
симметричность
генетического кода
неполярные
положительно заряженные
полярные
Универсальность
• Генетический код един для всех живущих на Земле
существ и работает одинаково в организмах
разного уровня.
• Это является сильнейшим свидетельством в
пользу единства происхождения и эволюции.
• В 1979г. Беррел открыл идеальный код
митохондрий человека.
Генетический код митохондриальной ДНК
позвоночных
UGA – кодирует триптофан
(не стоп кодон!)
AUA – кодирует метионин
(не изолейцин!)
AGA, AGG – стоп-кодоны
(не аргинин!)
Griffiths et al. 2004
Кодирование неканонических
аминокислот
• УГА (обычно стоп кодон) кодирует
селеноцистеин в некоторых генах
(зависит от сигнальных
поледвательностей в мРНК)
• УАГ (обычно стоп кодон) может
кодировать пирролизин
Отклонения от стандартного генетического кода
Пример
Кодон
Обычное значение
Читается как:
Некоторые виды рода
дрожжей Candida
CUG
Лейцин
Серин
Митохондрии, в частности CU(U, C, A, G)
у Saccharomyces cerevisiae
Лейцин
Серин
Митохондрии высших
CGG
растений
Митохондрии (у всех без UGA
исключения
исследованных
организмов)
Митохондирии
AUA
млекопитающих,
дрозофилы, S. cerevisiae и
многих простейших
Аргинин
Триптофан
Стоп
Триптофан
Изолейцин
Метионин = Старт
Бактерии
Эукариоты (редко)
Эукариоты (редко)
Бактерии
Бактерии (редко)
Эукариоты (редко)
Митохондрии
млекопитающих
Митохондрии дрозофилы
GUG
CUG
GUG
GUG
UUG
ACG
AGC, AGU
Валин
Лейцин
Валин
Валин
Лейцин
Треонин
Серин
Старт
Старт
Старт
Старт
Старт
Старт
Стоп
AGA
Аргинин
Стоп
Митохондрии
млекопитающих
AG(A, G)
Аргинин
Стоп
http://ru.wikipedia.org
Неслучайное использование
синонимичных кодонов
• Синонимичные замены не всегда нейтральны!
• Предпочтение кодонов - частота использования
одного кодона из серии синонимичных больше чем
для других.
•
Родственные организмы имеют сходный тип
предпочтения кодонов.
• Высоко экспрессивные гены большее предпочтение
кодонов по сравнению с низко экспрессивными!
Вобблинг
(неоднозначные пары)
• Многие тРНК способны опознавать не
только "свой" кодон но и некоторые
другие. Это явление называют
вобблингом (wobbling).
• Так U в первой позиции антикодона
может взаимодействовать с G в третьей
позиции кодона.
• Аналогично G взаимодействует с U.
• Инозин (I) образует неоднозначные
пары с аденином, гуанином и цитозином.
• тРНК, распознающие более одного
синонимичного кодона, опознают их с
разной эффективностью.
неоднозначные пары инозина
и гуанозина
http://en.wikipedia.org
Литература