Розділ 23. Обмін амінокислот. Динамічний стан білків організму Значення амінокислот для організму в першу чергу полягає в тому, що вони використовуються для синтезу білків, метаболізм яких займає особливе місце в процесах обміну речовин між організмом і

Всмоктування амінокислот. Відбувається шляхом активного транспорту за участю переносників. Максимальна концентрація амінокислот у крові досягається через 30-50 хв після прийому білкової їжі. Перенесення через щіткову облямівку здійснюється цілим рядом переносників, багато

Спадкові порушення транспорту амінокислот Хвороба Хартнупа – порушення всмоктування триптофану в кишечнику та його реабсорбції у ниркових канальцях. Оскільки триптофан є вихідним продуктом для синтезу вітаміну РР, то основні прояви хвороби Хартнупа –

Шляхи обміну амінокислот у тканинах Амінокислоти – це біфункціональні сполуки, що містять амінну та карбоксильну групу. Реакції цих груп є спільними для різних амінокислот. До них відносять:1. по амінній групі – реакції дезамінування та

Трансамінування амінокислот Трансамінування – реакції перенесення a-аміногрупи з амінокислоти на a-кетокислоту, внаслідок чого утворюються нова кетокислота та нова амінонокислота. Реакції каталізують ферменти амінотрансферази. Це складні ферменти, коферментом

Дезамінування амінокислот Дезамінування амінокислот – реакція відщеплення a-аміногрупи від амінокислоти з виділенням аміаку. Розрізняють два типи реакцій дезамінування: пряме та непряме. Пряме дезамінування – безпосереднє відщеплення аміногрупи від

Непряме дезамінування амінокислот Більшість амінокислот не здатні дезамінуватися в одну стадію, подібно до глутамату. Аміногрупи таких амінокислот перносяться на ?-кетоглутарат з утворенням глутамінової кислоти, яка потім піддається прямому

Декарбоксилювання амінокислот Деякі амінокислоти та їх похідні можуть піддаватися декарбоксилюванню. Реакції декарбоксилювання незворотні та каталізуються ферментами декарбоксилазами, що потребують піридоксальфосфату як кофермент.

Розділ 25. Метаболізм окремих амінокислот Метаболізм метіоніну Метіонін – незамінна амінокислота. Метильна група метіоніну – мобільний одновуглецевий фрагмент, який використовується для синтезу низки сполук. Перенесення метильної групи метіоніну на відповідний

При необхідності синтезу білків перед клітиною виникає одна серйозна проблема – інформація в ДНК зберігається у вигляді послідовності, закодованої 4 символами(нуклеотидами), а білки складаються з 20 різних символів(Амінокислот). Якщо спробувати використати відразу всі чотири символи для кодування амінокислот, то вийде всього 16 поєднань, тоді як протеїногенних амінокислот налічується 20.

Із цього приводу існує приклад геніального мислення:

"Візьмемо, наприклад, колоду гральних карт, у якій ми звертаємо увагу лише масть карти. Скільки триплетів того самого виду можна отримати? Чотири, звичайно: троє хробаків, троє бубон, троє пік та троє треф. Скільки триплетів з двома картами однієї й тієї ж масті та однієї іншої? Нехай ми маємо чотири вибори для третьої карти. Тому ми маємо 4x3 = 12 можливостей. На додаток, ми маємо чотири триплети з усіма трьома різними картами. Отже, 4+12+4=20, а це і є точна кількість амінокислот, яку ми хотіли отримати" (Георгій Гамов, англ. George Gamow, 1904-1968, радянський і американський фізик-теоретик, астрофізик і популяризатор науки).

Дійсно, експериментами доведено, що для кожної амінокислоти є по два обов'язкові нуклеотиди та третій варіабельний, менш специфічний (" ефект гойданняУ випадку, якщо брати три символи з чотирьох, то вийде 64 комбінації, що набагато перекриває число амінокислот. Таким чином з'ясовано, що будь-яка амінокислота кодується трьома нуклеотидами. Ця трійка отримала назву кодон. Їх, як уже сказано, існує 64 варіанти. Три з них не кодують жодної амінокислоти, це так звані " нонсенс-кодони(франц. non-sens- нісенітниця) або "стоп-кодони".

Генетичний код

Генетичний (біологічний) код – це спосіб кодування інформації про будову білків у вигляді нуклеотидної послідовності. Він призначений для перекладу чотиризначної мови нуклеотидів (А, Г, У, Ц) у двадцятизначну мову амінокислот. Він має характерні особливості:

• Триплетність– три нуклеотиди формують кодон, що кодує амінокислоту. Усього нараховують 61 смисловий кодон.
• Специфіка(або однозначність) – кожному кодону відповідає лише одна амінокислота.
• Виродженість– одній амінокислоті може відповідати кілька кодонів.
• Універсальність- Біологічний код однаковий для всіх видів організмів на Землі (проте в мітохондріях ссавців є винятки).
• Колінеарність- Послідовність кодонів відповідає послідовності амінокислот в білку, що кодується.
• Неперекриваність– триплети не накладаються один на одного, розташовуючись поряд.
• Відсутність розділових знаків– між триплетами немає додаткових нуклеотидів або інших сигналів.
• Односпрямованість- при синтезі білка зчитування кодонів йде послідовно, без перепусток або повернень назад.

Однак ясно, що біологічний код не може проявити себе без додаткових молекул, які виконують перехідну функцію або функцію адаптора.

Адапторна роль транспортних РНК

Транспортні РНК є єдиним посередником між 4-х літерною послідовністю нуклеїнових кислот та 20-ти літерною послідовністю білків.

Кожна транспортна РНК має певну триплетну послідовність антикодонової петлі ( антикодон) і може приєднати тільки таку амінокислоту, яка відповідає цьому антикодону. Саме наявності того чи іншого антикодону в тРНК залежить, яка амінокислота включиться в білкову молекулу, т.к. ні рибосоми, ні мРНК не впізнають амінокислоту.

Таким чином, адапторна роль тРНКполягає:

1. у специфічному зв'язуванні з амінокислотами,
2. у специфічному, згідно з кодон-антикодонової взаємодії, зв'язуванні з мРНК,
3. і, як результат, у включенні амінокислот до білкового ланцюга відповідно до інформації мРНК.

Приєднання амінокислоти до тРНК здійснюється ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, Що має специфічність одночасно до двох сполук: будь-якої амінокислоти та відповідної їй тРНК. Для реакції потрібні два макроергічні зв'язки АТФ. Амінокислота приєднується до 3"-кінця акцепторної петлі тРНК через свою α-карбоксильну групу, і зв'язок між амінокислотою та тРНК стає макроергічної. α-аміногрупа залишається вільною.

Генетичний код, який ще називають амінокислотним кодом, - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білку за допомогою послідовності розташування нуклеотидних залишків у ДНК, які містять одну з 4-х азотистих основ: аденін (А), гуанін (G), цитозин (C) та тимін (Т). Однак, оскільки двонитчаста спіраль ДНК не бере безпосередньої участі в синтезі білка, що кодується однією з цих ниток (тобто РНК), то код записується мовою РНК, в якій замість тиміну входить урацил (U). З цієї причини прийнято говорити, що код - це послідовність нуклеотидів, а чи не пар нуклеотидів.

Генетичний код представлений певними кодовими словами - кодонами.

Перше кодове слово було розшифровано Ніренбергом і Маттеї в 1961 р. Вони отримали екстракт з кишкової палички, що містить рибосоми та інші фактори, необхідні для синтезу білка. Вийшла безклітинна система для синтезу білка, яка могла б здійснювати збирання білка з амінокислот, якщо в середу додати необхідну мРНК. Додавши в середу синтетичну РНК, що складається тільки з урацилів, вони виявили, що утворився білок, який складається тільки з фенілаланіну (поліфенілаланін). Так було встановлено, що триплет нуклеотидів УУУ (кодон) відповідає фенілаланіну. Протягом наступних 5-6 років було визначено всі кодони генетичного коду.

Генетичний код - своєрідний словник, що перекладає текст, записаний за допомогою чотирьох нуклеотидів, білковий текст, записаний за допомогою 20 амінокислот. Інші амінокислоти, що зустрічаються в білку, є модифікаціями однієї з 20 амінокислот.

Властивості генетичного коду

Генетичний код має такі характеристики.

1. Триплетність- кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів. Легко підрахувати, що існують 4 3 = 64 кодони. З них 61 є значеннєвим і 3 - безглуздими (термінуючими, stop-кодонами).
2. Безперервність(немає розділових знаків між нуклеотидами) - відсутність внутрішньогенних розділових знаків;

   Усередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону. У 1961р. Сеймур Бензер і Френк Крик експериментально довели триплетність коду і його безперервність (компактність) [показати]

   

   Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду.

   Одиночна мутація ("+" або "-") на початку гена або подвійна мутація ("+" або "-") – псує весь ген.

   Потрійна мутація ("+" або "-") на початку гена псує лише частину гена.

   Четверна "+" або "-" мутація знову псує весь ген.

   Експеримент був проведений на двох розташованих фагових генах і показав, що

   1. код триплетен і всередині гена немає розділових знаків
   2. між генами є розділові знаки
3. Наявність міжгенних розділових знаків- Наявність серед триплетів ініціюючих кодонів (з них починається біосинтез білка), кодонів - термінаторів (позначають кінець біосинтезу білка);

   Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - перший після лідерної послідовності. Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріотів).

   В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х термінуючих кодонів, або стоп-сигналів: UAA, UAG, UGA. Вони термінують трансляцію.

4. Колінеарність- відповідність лінійної послідовності кодонів мРНК та амінокислот у білку.
5. Специфіка- кожній амінокислоті відповідають лише певні кодони, які не можуть використовуватись для іншої амінокислоти.
6. Односпрямованість- кодони зчитуються в одному напрямку - від першого нуклеотиду до наступних
7. Виродженість, чи надмірність,- одну амінокислоту може кодувати кілька триплетів (амінокислот – 20, можливих триплетів – 64, 61 їх смислової, т. е. у середньому кожної амінокислоті відповідає близько 3 кодонів); виняток становить метіонін (Met) і триптофан (Trp).

   Причина виродженості коду полягає в тому, що головне смислове навантаження несуть два перші нуклеотиди в триплеті, а третій не такий важливий. Звідси правило виродженості коду : якщо два кодони мають два однакові перші нуклеотиди, а їх треті нуклеотиди належать до одного класу (пуринового або піримідинового), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту.

   Однак із цього ідеального правила є два винятки. Це кодон АUA, який повинен відповідати не ізолейцину, а метіоніну і кодон UGA, який є термінуючим, тоді як повинен відповідати триптофана. Виродженість коду має, мабуть, пристосувальне значення.

8. Універсальність- всі перелічені вище властивості генетичного коду характерні всім живих організмів.

   Кодон	Універсальний код	Мітохондріальні коди
   		Хребетні	Безхребетні	Дріжджі	Рослини
   UGA	STOP	Trp	Trp	Trp	STOP
   AUA	Ile	Met	Met	Met	Ile
   CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
   AGA	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg
   AGG	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg

   Останнім часом принцип універсальності коду похитнувся у зв'язку з відкриттям Береллом в 1979 р. ідеального коду мітохондрій людини, в якому виконується правило виродженості коду. У коді мітохондрій кодон UGA відповідає триптофану, а AUA - метіоніну, як цього вимагає правило виродженості коду.

   Можливо, на початку еволюції у всіх найпростіших організмів був такий самий код, як і у мітохондрій, а потім він зазнав невеликих відхилень.

9. Неперекриваність- кожен із триплетів генетичного тексту незалежний один від одного, один нуклеотид входить до складу лише одного триплету; На рис. показана різниця між кодом, що перекривається і неперекривається.

   У 1976р. була секвенована ДНК фага Х174. У нього одноланцюжкова кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них було визначено гени, що розташовуються один за одним.

   З'ясувалося, що є перекривання. Ген Е повністю знаходиться всередині гена D. Його кодон, що ініціює, з'являється в результаті зсуву зчитування на один нуклеотид. Ген J починається там, де закінчується ген D. Ініціюючий кодон гена J перекривається з термінуючим кодоном гена D в результаті зсуву на два нуклеотиди. Конструкція називається "зсув рамки зчитування" на число нуклеотидів, неразове трьом. На сьогоднішній день перекривання показане лише для кількох фагів.

10. Перешкодостійкість- Відношення числа консервативних замін до радикальних замін.

    Мутації замін нуклеотидів, що не призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають консервативними. Мутації замін нуклеотидів, що призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають радикальними.

    Так як одна і та ж амінокислота може кодуватися різними триплетами, деякі заміни в триплетах не призводять до заміни кодованої амінокислоти (наприклад UUU -> UUC залишає фенілаланін). Деякі заміни змінюють амінокислоту на іншу з того ж класу (неполярний, полярний, основний, кислотний), інші заміни змінюють і клас амінокислоти.

    У кожному триплеті можна здійснити 9 одноразових замін, тобто. вибрати, яку з позицій змінюємо - можна трьома способами (1-а або 2-а або 3-я), причому обрану літеру (нуклеотид) можна поміняти на 4-1 = 3 інші літери (нуклеотид). Загальна кількість можливих замін нуклеотидів – 61 по 9 = 549.

    Прямим підрахунком таблиці генетичного коду можна переконатися, що з них: 23 заміни нуклеотидів призводять до появи кодонів - термінаторів трансляції. 134 заміни не змінюють амінокислоту, що кодується. 230 замін не змінюють клас амінокислоти, що кодується. 162 заміни призводять до зміни класу амінокислоти, тобто. є радикальними. Зі 183 замін 3-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів трансляції, а 176 - консервативні. Зі 183 замін першого нуклеотиду, 9 призводять до появи термінаторів, 114 - консервативні і 60 - радикальні. Зі 183 замін 2-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів, 74 – консервативні, 102 – радикальні.

Це спосіб, за допомогою якого інформація про послідовність двадцяти амінокислот закодована за допомогою послідовності чотирьох нуклеотидів.

Властивості генкоду

1) Триплетність
Одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами. У ДНК вони називаються триплет, іРНК - кодон, в тРНК - антикодон. Усього існує 64 триплет, 61 з них кодує амінокислоти, а 3 є стоп-сигналами - показують рибосоме місце, в якому треба припинити синтез білка.

2) Виродженість (надмірність)
Кодонів, що кодують амінокислоти, існує 61, а амінокислот лише 20, тому більшість амінокислот кодуються кількома кодонами. Наприклад, амінокислота аланін кодується чотирма кодонами - ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ. Виняток – метіонін, він кодується одним кодоном АУГ – у еукаріотів це старт-кодон при трансляції.

3) Однозначність
Кожен кодон кодує лише одну амінокислоту. Наприклад, кодон ГЦУ кодує лише одну амінокислоту - аланін.

4) Безперервність
Між окремими триплетами немає ніяких роздільників («розділових знаків»). Через це при випаданні або вставці одного нуклеотиду відбувається «зсув рамки зчитування»: починаючи з місця мутації, зчитування триплетного коду порушується, синтезується зовсім інший білок.

5) Універсальність
Генетичний код однаковий всім живих організмів Землі.

У будь-якій клітині та організмі всі особливості анатомічного, морфологічного та функціонального характеру визначаються структурою білків, які входять до них. Спадковою властивістю організму є здатність до синтезу певних білків. В амінокислоти розташовані в поліпептидному ланцюжку, від якого залежать біологічні ознаки.
Для кожної клітини характерна своя послідовність нуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі ДНК. Це генетичний код ДНК. За допомогою його записується інформація про синтез тих чи інших білків. Про те, що таке генетичний код, про його властивості та генетичну інформацію розповідається в цій статті.

Трохи історії

Ідея про те, що, можливо, генетичний код існує, була сформульована Дж.Гамовим та А.Дауном у середині двадцятого століття. Вони описали, що послідовність нуклеотидів, що відповідає за синтез певної амінокислоти, містить щонайменше три ланки. Пізніше довели точну кількість із трьох нуклеотидів (це одиниця генетичного коду), яку назвали триплет або кодон. Усього нуклеотидів налічується шістдесят чотири, тому що молекули кислот, де відбувається або РНК, складається із залишків чотирьох різних нуклеотидів.

Що таке генетичний код

Спосіб кодування послідовності білків амінокислот завдяки послідовності нуклеотидів характерний для всіх живих клітин та організмів. Ось що таке генетичний код.
У ДНК є чотири нуклеотиди:

• аденін - А;
• гуанін – Г;
• цитозин – Ц;
• тімін - Т.

Вони позначаються великими літерами латинськими або (у російськомовній літературі) російськими.
У РНК також присутні чотири нуклеотиди, однак один із них відрізняється від ДНК:

• аденін - А;
• гуанін – Г;
• цитозин – Ц;
• урацил - У.

Всі нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки, причому в ДНК виходить подвійна спіраль, а в РНК одинарна.
Білки будуються де вони, розташовані у певній послідовності, визначають його біологічні властивості.

Властивості генетичного коду

Триплетність. Одиниця генетичного коду складається з трьох букв, він триплетен. Це означає, що двадцять існуючих амінокислот зашифровано трьома певними нуклеотидами, які називаються кодон або трилпет. Існують шістдесят чотири комбінації, які можна створити із чотирьох нуклеотидів. Цієї кількості більш ніж достатньо для того, щоб закодувати двадцять амінокислот.
Виродженість. Кожна амінокислота відповідає більш ніж одному кодону, за винятком метіоніну та триптофану.
Однозначність. Один кодон шифрує одну амінокислоту. Наприклад, у гені здорової людини з інформацією про бета-мету гемоглобіну триплет ГАГ і ГАА кодує А у всіх, хто хворий на серповидноклітинну анемію, один нуклеотид замінений.
Колінеарність. Послідовність амінокислот завжди відповідає послідовності нуклеотидів, яку містить ген.
Генетичний код безперервний і компактний, що означає те, що він не має «розділових знаків». Тобто, починаючись на певному кодоні, відбувається безперервне зчитування. Наприклад, АУГГУГЦУУААУГУГ зчитуватиметься як: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ. Але ніяк не АУГ, УГГ і так далі чи ще якось інакше.
Універсальність. Він єдиний абсолютно для всіх земних організмів, від людей до риб, грибів та бактерій.

Таблиця

У представленій таблиці присутні в повному обсязі наявні амінокислоти. Гідроксипролін, гідроксилізин, фосфосерин, йодових тирозину, цистин та деякі інші відсутні, оскільки вони є похідними інших амінокислот, що кодуються м-РНК і утворюються після модифікації білків в результаті трансляції.
Зі властивостей генетичного коду відомо, що один кодон здатний кодувати одну амінокислоту. Винятком є ​​виконуючий додаткові функції та кодуючий валін та метіонін, генетичний код. ІРНК, перебуваючи на початку з кодоном, приєднує т-РНК, яка несе формілметіон. Після завершення синтезу він відщеплюється сам і захоплює у себе формальний залишок, перетворюючись на залишок метионина. Так, вищезазначені кодони є ініціаторами синтезу ланцюга поліпептидів. Якщо ж вони не на початку, то нічим не відрізняються від інших.

Генетична інформація

Під цим поняттям мається на увазі програма властивостей, що передається від предків. Вона закладена у спадковості як генетичний код.
Реалізується при синтезі білка генетичний код:

• інформаційної та-РНК;
• рибосомальний р-РНК.

Інформація передається прямим зв'язком (ДНК-РНК-білок) та зворотним (середовище-білок-ДНК).
Організми можуть отримувати, зберігати, передавати її та використовувати при цьому найбільш ефективно.
Передаючись у спадок, інформація визначає розвиток тієї чи іншої організму. Але через взаємодію Космосу з реакція останнього спотворюється, завдяки чому і відбувається еволюція та розвиток. Таким чином, в організм закладається нова інформація.

Розшифрування коду у людини

У дев'яностих роках було розпочато проект Human Genome, внаслідок чого у двохтисячних було відкрито фрагменти геному, що містять 99,99% генів людини. Невідомими залишилися фрагменти, які беруть участь у синтезі білків і кодуються. Їхня роль поки залишається невідомою.

Остання відкрита у 2006 році хромосома 1 є найдовшою у геномі. Понад триста п'ятдесят захворювань, у тому числі рак, з'являються в результаті порушень і мутацій в ній.

Роль таких досліджень важко переоцінити. Коли відкрили, що таке генетичний код, стало відомо, за якими закономірностями відбувається розвиток, як формується морфологічна будова, психіка, схильність до тих чи інших захворювань, обмін речовин та вади індивідів.