1. Генетичний код

Генетичний код — це система запису генетичної інформації про послідовність розташування амінокислот у білках у вигляді послідовності нуклеотидів у ДНК або РНК.

Кожній амінокислоті білка відповідає послідовність з трьох розташованих один за одним нуклеотидів ДНК — триплет .

Кожен триплет нуклеотидів кодує певну амінокислоту, яка буде вбудована у поліпептидний ланцюг.

Як відомо, до складу ДНК можуть входити чотири нітрогеновмісних основи: аденін ( А ), гуанін ( Г ), тимін ( Т ) і цитозин ( Ц ). Число сполучень з \(4\) по \(3\) складає 4 3 = 64 , тобто ДНК може кодувати \(64\) амінокислоти. Проте кодується тільки \(20\) амінокислот.

Виявилося, що багатьом амінокислотам відповідає не один, а декілька кодонів. Передбачається, що така властивість генетичного коду (виродженність) підвищує надійність зберігання і передачі генетичної інформації під час ділення клітин.

амінокислоті аланіну відповідає \(4\) триплета — ЦДА, ЦГГ, ЦГТ і ЦГЦ. Звідси випливає, що випадкова помилка у третьому нуклеотиді кодону не зможе привести до змін у структурі білка — у будь-якому випадку це буде кодон аланіну.

На даний час складена карта генетичного коду , тобто відомо, які триплети у ДНК відповідають тій чи іншій з \(20\) амінокислот, що входять до складу білків.

Перший нуклеотид у триплеті береться з лівого вертикального рядка, другий — з верхнього горизонтального рядка, а третій — з правого вертикального. Там, де будуть перетинатися лінії, що ідуть від усіх трьох нуклеотидів, і буде назва потрібної амінокислоти.

Оскільки у молекулі ДНК містяться сотні генів, то до її складу обов’язково входять триплети — стоп-кодони , які є «знаками пунктуації» і позначають початок або кінець того чи іншого гена.

1. Код складається з триплетів. Одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами.
2. Код є універсальним. Усі живі організми (від бактерії до людини) використовують єдиний генетичний код.
3. Код є виродженим. Одна амінокислота кодується більш, ніж одним кодоном.
4. Код є однозначним. Кожен триплет відповідає тільки одній амінокислоті.
5. Код не перекривається. Один нуклеотид не може входити до складу декількох кодонів у ланцюгу РНК.

Послідовність нуклеотидів у молекулі ДНК визначає її специфічність, а також специфічність білків організму, які кодуються цією послідовністю. Ці послідовності індивідуальні і для кожного виду організмів, і для окремих особин виду.

РНК — будова, види, функції молекули

Органічна речовина – рибонуклеїнова кислота – є однією з трьох головних макромолекул, що містяться в клітинах всіх живих істот. Скорочено рибонуклеїнова кислота позначається абревіатурою “РНК”. В організмі функцією цієї субстанції є збереження і передача генетичної інформації.

Нуклеїнові кислоти

За будовою РНК і ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) подібні. Ці речовини являють собою біополімери, молекули яких – це довгі ланцюги, що складаються з окремих фрагментів (залишків нуклеотидів). Будучи присутнім в кожній живій клітині, вони виконують наступні функції:

• Зберігання інформації як про саму клітину, так і про весь організм, частиною якого вона є.
• Передача інформації наступному поколінню клітин при розподілі.
• Зберігання, передача і розшифровка інформації про реалізацію ознак організму, закодованих генами.

Основним фактором, що відрізняє один від одного рибонуклеїнову і дезоксирибонуклеїнову кислоти, є що входять до їх складу вуглеводи, а саме дезоксирибоза в ДНК і рибоза в РНК.

Походження та структура

Кожен з мономерів, що складають довгу молекулу, складається з азотистої основи і приєднаних до неї фосфатних груп і вуглеводу рибози. За допомогою з’єднання рибози та фосфатного залишку здійснюється зв’язок мономерів в ланцюг.

Кодування інформації обумовлено послідовністю розташування нуклеотидів в ланцюзі.

Процес біосинтезу рибонуклеїнової кислоти в живій клітині, званий транскрипцією, здійснюється при обов’язковій присутності ферменту РНК-полімерази. З’єднання між собою мономерів (нуклеотидів), що входять до складу макромолекули, здійснюється шляхом взаємодії фосфатного залишку одного мономера з вуглеводним фрагментом іншого.

Матрицею, на основі якої синтезуються молекули цієї речовини, може служити і молекула ДНК, і інша молекула РНК. Зокрема, на основі нуклеїнової кислоти з рибозою відбувається реплікація РНК-вірусів.

Примітно, що цей фермент (полімераза) існує в різних модифікаціях, що обумовлює синтез різних видів цієї речовини. Всі різновиди рибонуклеїнової кислоти мають подібну будову. Їх просторова структура нагадує по конфігурації листок конюшини.

Історія дослідження питання

Початок вивченню нуклеїнових кислот було покладено ще в середині XIX століття швейцарським вченим, які виявили ці речовини в клітинному ядрі. Він назвав їх нуклеїном. Наявність цих речовин в прокаріотичних бактеріальних клітинах, що не містять ядра, було доведено дещо пізніше.

В ході експерименту було продемонстровано, що РНК, що кодує структуру гемоглобіну кролика, при введенні в іншу клітину змушує її синтезувати той же самий білок. Описаний досвід наочно продемонстрував роль цієї речовини в живому організмі. Паралельно з цим ще одне дослідження показало, що клітини, активно синтезують білкові речовини, містять більшу кількість РНК, в порівнянні з іншими клітинними структурами.

Механізм синтезу самої рибонуклеїнової кислоти був відкритий в середині XX століття, за що в 1959 році була видана Нобелівська премія з медицини. Ще одна аналогічна нагорода в цій області була видана у зв’язку з розшифровкою послідовності ланцюга з 77 нуклеотидів транспортної РНК одного з видів дріжджових грибків.

Зокрема, вчений Карл Везе в 1967 році висунув теорію так званого «РНК світу». Згідно з його припущеннями, в прокаріотичних організмах ця нуклеїнова кислота виконувала наступні функції:

• Шифрування, зберігання та передача інформації, зокрема, генетичної інформації клітини. Зараз, після певних змін, які відбулися в ході еволюції, цю функцію стала виконувати дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК).
• Участь в ряді метаболічних процесів, яке проявляється в їх прискоренні (каталітична активність). У сьогоднішньому світі ця функція належить ферментам – спеціалізованим речовинам, що мають білкову природу.

Відкриття нуклеїнових кислот і успіхи в дослідженні їх властивостей та інших характеристик дали потужний поштовх у розвитку молекулярної біології. З цього моменту і бере початок дослідження механізмів передачі інформації як всередині клітин, так і між ними. Отримані експериментально дані пояснюють в тому числі й механізм успадкування деяких ознак (один з основних принципів теорії еволюції — спадковість).

Типи РНК

Залежно від функцій, виконуваних в організмі, прийнято виділяти кілька типів рибонуклеїнової кислоти. Кожен з них має своє спеціальне позначення.

Різні типи цієї речовини і відповідні функції РНК для наочності можна представити у вигляді таблиці:

Назва	Умовні позначення	Особливості
Інформаційна (матрична)	іРНК (мРНК)	З усієї рибонуклеїнової кислоти, що міститься в клітині, вона становить близько 5%. Містить і передає інформацію про первинну структуру білка. Дозріваючи, стає матрицею для синтезу поліпептидної білкової молекули. Молекули інформаційної РНК присутні в клітині до тих пір, поки синтезується необхідна білкова молекула. Після того як матриця стає не потрібна, клітина її руйнує.
Рибосомальна	рРНК	Синтез рибосомальної РНК здійснюється в ядерці. Її молекули мають досить великі габарити, складаються з великої кількості нуклеотидів – від 3000 до 5000. Складаючи 80-85% всієї РНК клітини, має кілька різновидів, які входять до складу рибосом, відрізняючись один від одного довжиною ланцюга, виконуваними функціями, а також вторинною і третинною структурою. Молекули рибосомальної РНК зчитують інформацію, закодовану інформаційною молекулою і сприяють утворенню зв’язків між амінокислотами в білковому ланцюзі.
Транспортна	тРНК	Цей різновид рибонуклеїнової кислоти синтезується в ядрі клітини на основі матриці ДНК, після чого виходить в цитоплазму. Характерною рисою транспортної РНК є невеликий за мірками полімерних речовин розмір молекули (у порівнянні з молекулами тієї ж речовини, яким притаманні інші функції). Вона може містити близько 80 мономерів. Функція цієї речовини: транспорт амінокислот, які є будівельними матеріалами для протеїнів до місця складання білкової молекули. Якщо уявити просторову структуру молекули нуклеїнової кислоти у вигляді фігури, що нагадує листок конюшини, то транспортується амінокислота приєднується до його черешка. Молекула транспортної рибонуклеїнової кислоти неуніверсальна: для доставки до рибосоми кожного виду амінокислот необхідна своя різновид транспортної РНК. Всього таких видів відомо близько 60.

Зазначені в таблиці типи РНК є основними. Крім них існують і інші різновиди цієї речовини. Всі вони в сукупності складають єдину систему, значення якої вкрай велике: вона спрямована на зчитування і відтворення спадкової інформації через синтез білкових структур.

Існує ще одна класифікації РНК; відповідно до неї, виділяють такі різновиди:

• Ядерний. Розповсюдження – ядро еукаріотичних клітин. Молекула збирається полімеразою 2 або 3 типів. Після складання виходить в цитоплазму клітини, де відбувається дозрівання; потім повертається в ядро. Бере участь в процесі дозрівання матричної РНК. У ланцюзі такої нуклеїнової кислоти знаходиться багато уридинових нуклеотидів. Є і малий (ядерцевий) підтип.
• Цитоплазматична. Знаходиться під впливом ядерного різновиду нуклеїнової кислоти. Функція – участь в антитілоутворенні в зрілих плазматичних клітинах.
• Мітохондріальна. На відміну від ядерної, розташовується в мітохондріях.
• Пластидна. Кодує гени, що забезпечують процеси транскрипції і трансляції.

10.3: Структура та функція РНК

Структурно кажучи, рибонуклеїнова кислота (РНК), досить схожа на ДНК. Однак, хоча молекули ДНК, як правило, довгі і дволанцюгові, молекули РНК набагато коротші і, як правило, одноланцюгові. Молекули РНК виконують різноманітні ролі в клітині, але в основному беруть участь у процесі синтезу (трансляції) білка та його регуляції.

Структура РНК

РНК, як правило, одножильний і виготовляється з рибонуклеотидів, які пов’язані фосфодіефірними зв’язками. Рибонуклеотид в ланцюжку РНК містить рибозу (пентозний цукор), одну з чотирьох азотистих підстав (A, U, G і C) та фосфатну групу. Тонка структурна різниця між цукрами надає ДНК додаткову стабільність, роблячи ДНК більш придатною для зберігання генетичної інформації, тоді як відносна нестабільність РНК робить її більш придатною для своїх короткострокових функцій.

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Рибонуклеотиди містять пентозу цукрової рибози замість дезоксирибози, виявленої в дезоксирибонуклеотидах. (b) РНК містить піримідин урацил замість тиміну, знайденого в ДНК.

РНК-специфічний піримідин урацил утворює комплементарну базову пару з аденіном і використовується замість тиміну, що використовується в ДНК. Незважаючи на те, що РНК є однониткою, більшість типів молекул РНК демонструють широке внутрішньомолекулярне сполучення основи між комплементарними послідовностями всередині ланцюга РНК, створюючи передбачувану тривимірну структуру, необхідну для їх функції \(\PageIndex\) (рис \(\PageIndex\) .

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) ДНК, як правило, дволанцюгова, тоді як РНК, як правило, одноланцюгова. (b) Хоча це одножильний, РНК може складатися на себе, при цьому складки стабілізуються короткими ділянками комплементарного сполучення основи всередині молекули, утворюючи тривимірну структуру.

Чим структура РНК відрізняється від структури ДНК?

Функції РНК в синтезі білка

Клітини отримують доступ до інформації, що зберігається в ДНК, створюючи РНК для направлення синтезу білків через процес трансляції. Білки всередині клітини мають багато функцій, включаючи побудову клітинних структур і служать ферментними каталізаторами клітинних хімічних реакцій, які надають клітинам їх специфічні характеристики. Три основні типи РНК, які безпосередньо беруть участь у синтезі білка, – це месенджерна РНК (мРНК), рибосомна РНК (рРНК) та трансферна РНК (тРНК).

У 1961 році французькі вчені Франсуа Якоб і Жак Монод висунули гіпотезу про існування посередника між ДНК і її білковими продуктами, який вони назвали месенджерної РНК. 1 Докази, що підтверджують їхню гіпотезу, були зібрані незабаром після цього, що інформація з ДНК передається рибосомі для синтезу білка за допомогою мРНК. Якщо ДНК служить повною бібліотекою клітинної інформації, мРНК служить ксерокопією конкретної інформації, необхідної в конкретний момент часу, яка служить інструкцією для виготовлення білка.

МРНК несе повідомлення з ДНК, яка контролює всю клітинну діяльність в клітині. Якщо клітині потрібен певний білок для синтезу, ген цього продукту «включається» і мРНК синтезується через процес транскрипції (див. Транскрипція РНК). Потім мРНК взаємодіє з рибосомами та іншими клітинними механізмами (рис. \(\PageIndex\) ), щоб направити синтез білка, який він кодує в процесі трансляції (див. Синтез білка). мРНК відносно нестабільна і короткочасна в клітині, особливо в прокаріотичних клітині, забезпечуючи що білки виготовляються лише тоді, коли це необхідно.

Малюнок \(\PageIndex\) : Узагальнена ілюстрація того, як мРНК і тРНК використовуються в синтезі білка всередині клітини.

рРНК і тРНК є стабільними типами РНК. У прокаріотів і еукаріотів тРНК і рРНК кодуються в ДНК, потім копіюються в довгі молекули РНК, які розрізаються, щоб звільнити менші фрагменти, що містять окремі зрілі види РНК. У еукаріотів синтез, різання та складання рРНК в рибосоми відбувається в ядерцевій області ядра, але ця діяльність відбувається в цитоплазмі прокаріотів. Жоден з цих типів РНК не несе вказівок спрямовувати синтез поліпептиду, але вони відіграють інші важливі ролі в синтезі білка.

Рибосоми складаються з рРНК і білка. Як випливає з назви, рРНК є основною складовою рибосом, складаючи приблизно 60% рибосоми за масою і забезпечуючи місце, де мРНК зв’язується. РРНК забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосом; рРНК рибосоми також має ферментативну активність (пептидилтрансфераза) і каталізує утворення пептидних зв’язків між двома вирівняними амінокислотами під час синтезу білка. Незважаючи на те, що рРНК давно вважалося служити в першу чергу структурній ролі, її каталітична роль в рибосомі була доведена в 2000 році. 2 Вчені в лабораторіях Томаса Штайца (1940—) та Пітера Мура (1939—) Єльського університету змогли кристалізувати рибосому структуру з Haloarcula marismortui, галофільного археона, ізольованого з Мертвого моря. Через важливість цієї роботи Штайц поділився Нобелівською премією з хімії 2009 року з іншими вченими, які внесли значний внесок у розуміння структури рибосом.

Перенесення РНК є третім основним типом РНК і одним з найменших, зазвичай всього 70-90 нуклеотидів довжиною. Він несе правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг (рис. \(\PageIndex\) ). Будь-які мутації в тРНК або рРНК можуть призвести до глобальних проблем для клітини, оскільки обидва необхідні для правильного синтезу білка (Таблиця \(\PageIndex\) ).

Малюнок \(\PageIndex\) : Молекула тРНК – це одноцепочечная молекула, яка проявляє значне внутрішньоклітинне сполучення основи, надаючи їй характерну тривимірну форму.

Таблиця \(\PageIndex\) : Будова і функції РНК

мРНК	рРНК	тРНК
Структура	Коротка, нестабільна, одноланцюгова РНК, що відповідає гену, закодованому в ДНК	Довші, стабільні молекули РНК, що складають 60% маси рибосоми	Коротка (70-90 нуклеотидів), стабільна РНК з великим внутрішньомолекулярним сполученням основи; містить місце зв’язування амінокислот і місце зв’язування мРНК
Функція	Служить посередником між ДНК та білком; використовується рибосомою для прямого синтезу білка, який він кодує	Забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосоми під час синтезу білка; каталізує утворення пептидних зв’язків між амінокислотами	Проносить правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі

Які функції виконують три основні типи молекул РНК, що беруть участь у синтезі білка?

РНК як спадкова інформація

Хоча РНК не служить спадковою інформацією у більшості клітин, РНК виконує цю функцію для багатьох вірусів, які не містять ДНК. Таким чином, РНК явно має додаткову здатність служити генетичною інформацією. Хоча РНК, як правило, одноланцюгова всередині клітин, існує значна різноманітність вірусів. Риновіруси, які викликають застуду; віруси грипу; і вірус Ебола – це одноланцюгові РНК-віруси. Ротавіруси, які викликають важкий гастроентерит у дітей та інших осіб з ослабленим імунітетом, є прикладами дволанцюгових РНК-вірусів. Оскільки дволанцюгова РНК зустрічається рідко в еукаріотичних клітині, її наявність служить показником вірусної інфекції. Наслідки для вірусу, що має геном РНК замість генома ДНК, більш детально розглядаються в розділі Віруси.

Ключові поняття та резюме

• Рибонуклеїнова кислота (РНК), як правило, однониткова і містить рибозу як пентозу цукру і піримідин урацил замість тиміну. Пасмо РНК може піддаватися значному внутрішньомолекулярному сполученню основи, щоб набути тривимірної структури.
• Існує три основних типи РНК, всі беруть участь в синтезі білка.
• Messenger РНК (мРНК) служить посередником між ДНК і синтезом білкових продуктів при трансляції.
• Рибосомна РНК (рРНК) – це тип стабільної РНК, яка є основною складовою рибосом. Він забезпечує належне вирівнювання мРНК і рибосом під час синтезу білка і каталізує утворення пептидних зв’язків між двома вирівняними амінокислотами при синтезі білка.
• Трансферна РНК (тРНК) – це невеликий тип стабільної РНК, який переносить амінокислоту до відповідного місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг.
• Хоча РНК не використовується для довгострокової генетичної інформації в клітині, багато вірусів використовують РНК як свій генетичний матеріал.

Виноски

1. 1 А. Багатий. «Ера пробудження РНК: структурна біологія РНК в ранні роки». Квартальні огляди біофізики 42 № 2 (2009) :117—137.
2. 2 П. Ніссен та ін. «Структурні основи активності рибосом в синтезі пептидних зв’язків». Наука 289 № 5481 (2000) :920—930.