16. Генетический код

После открытия Крика и Уотсона возник вопрос, каким образом молекулы ДНК передают организму инструкции о построении цепей аминокислот, составляющих белки. Над этим вопросом задумался американский физик Г. Гамов. Узнав от Крика и Уотсона, что речь идет о 20 аминокислотах, он сформулировал задачу следующим образом: как с помощью 4 видов нуклеоТИдов можно зашифровать 20 видов Аминокислот?

На первых порах Гамов подверг эту проблему ЧИсто комбинаторному анализу, выделив вопросы, Касавшиеся КомбинаторНОго строения кода:

1. Является ли код линейным (т. Е. отвечает ли поСледовательность Нуклеотидов последовательности Аминокислот в конструируемых белках)?

2. Сколько нуклеотидов нужно для кодирования одной аминокислоты (это количество называют Кодовым Числом кода)?

3. Может ли одна и та же амиНОкислота Кодироваться Несколькими комбинациями нуклеотидов, или, как Их Называют, Кодонов (вырожден код или нет)?

4. Может ли одиН и тот же Нуклеотид участвовать в кодироваНИи НЕскольких аминокислот (является ли код Перекрывающимся или нет)?

Были серьезные основания считать код линейным. На вопрос о кодовом числе ответ дали простые комбинаторные соображения: число видов нуклеотидов равнялось 4 (аденин, гуанин, Тимин, Цитозин), а из 4 видов моЖНо составить всего 16 раЗЛичНЫх пар!

Этого было недостаточно для кодирования 20 аминокислот. ЗНАчит, в кодон должны были входить по крайней мере 3 Нуклеотида Соображения экономии подсказал Гамову, что если трех нуклеотидов достаточно, то больше природа вряд ли потратит, а потому код должен быть Триплетным — по 3 нуклеотида на одну аминокислоту.

Присоединяя к каждой из выписанных 16 комбинациЙ По очереди 4 нуклеотида, получаем 64 комбинации, а это больше числа аминокислот. Теперь надо было делать выбор между двумя предположениЯМи: либо код вырожден, либо Кодон определяется не упорядоченной тройкой нуклеотидов, а как-то иначе. Руководствуясь теми же соображениями экономии, Гамов решил, что на каждую аминокислоту ПРирода отпустила лишь один кодон, т. е. что код должен быть НевыРожденным.

Так как число аминокислот равнялось 20, то надО Было приДУмать 20 различНЫХ комбинаций, ОпределяеМых тройками ступенек. Комбинаторные рассмотрения показали, что число 20 можно получить так: брать любые тройки, но не учитывать в них порядок нуклеотидов, а интересоваться лишь составом троек. Эта идея была реализована Гамовым в виде ромбовидного кода, изображенного на рис. 4.

Цифрами 1, 2, 3, 4 на этом рисунке обозначены нуклеотиды, а буквами — соответствующие аминокислоты. Здесь каждый ромб задается тройкой нуклеотидов, причем верхний и нижний нуклеотиды принадлежат разным половинам молекулы ДНК, а средние составляЮТ одну ступеНЬку лестниЦЫ. Поскольку в ступеньке достаточно указать левуЮ ПОловину — правая определится ЭТим однозначно, то ромбы Гамова определялись тройками нуклеотидов. А несущественность порядка нуклеотидов в кодоне проявлялась, по мнению Гамова, в том, что два ромба, получающиеся друг из друга перестановками верхнего и нижнего или левого и правого нуклеотидов кодировали ОДну и ту же аминокислоту.

Однако код Гамова не выдержал проверки экспериментом. Одной из его харАКтерных черт была перекрываемость — один и тот же нуклеотид входил в три различных Кодона. ЭТо накладывало ограничениЯ на порядок амиНокислот в белковых молекулах — за аминокислотой, кодируемой тройкой одинаковых Нуклеотидов, могли идти лишь 4 вида аминокислот, а именно те, в которых последний Нуклеотид заменен любым из 4, а два первых остались неизменными. Иными словами, если бы код Гамова был верен, то должны были бы наблюдаться определенные комбинаторные закономерности в порядке амиНОкислот и частоте их появления. Некоторые последовательности аминокислот просто запрещались — для нИХ нельзя было подобрать соответствующую последовательНОсть нуклеотидов. Тщательный эксперимент показал, что такие закономерности не наблюдаются, а при аНАлизе инсулина были обнаружены цепочки аминокислот, запрещенные кодом Гамова. Да и генетики показали, что код не может быть перекрывающимся — им удалось вызвать мутации, связанные с замеНОй лишь одной аминокислоты в синтезируемом клеткой белке, а по Гамову получалось, что при любой мутации, вызванной замеНОй одной ступеньки в ДНК, в белке одновременно заменяются три аминокислоты. В общем подтвердилось, что в науке больше красивых теорий, чем верных,— надо было искать неперекрывающиеся коды. Однако от идеи невырожденНОсти учеНЫе еще не отказались — она казалась связанной с принципом, по которому природа никогда не тратит излишних усилий.

Ф. Крик выдвинул идею Невырожденного кода, составленного из неперекрывающихся кодонов. Тогда еще не было известно, где начинается чтение гЕНетическою кода. Поэтому Крик решил, что код должен обладать следующим свойством: смысл имеют не все перестановкИ из 3 нуклеотидов, а лишь некоторые из них. При этом рАЗрешались лишь такие перестановки, чтобы в любой цепочке не возникло сомнений, является даННая тройка нуклеотидов Кодоном или состоит из частей двух СоседНих кодонов. Например, тройки ТГГ, ГАЦ и ГГА не могли одновременно быть Кодонами — в непочке ТГГАЦ Нельзя было бы разгадать, что такое ГГА — отдельный кодон или смесь из частей двух кодонов Код Крика совсем запрещал такие тройки, как ААА, в составленных, из Них цепях АААААА... нельзя было найти ни начала, ни конца кодонов. Это отметало 4 из 64 различных троек нуклеотидов. Оставшиеся 60 троек разбивались на классы По 3 тройки в каждой, так что тройки оДНого класса ПОлучалИСь друг из друга циклическим перемещением (наПРимер, ТГЛ, АТГ, ГАТ) и из каждого Класса бралась Одна тройка. Получался код с требуемыми свойствами, состоявший из 20 кодонов — по одНОму на каждую аминокислоту.

Такой выбор кода сНОва накладывал опрЕДеленные ограничения на относительную частоту нуклеотидов в ДНК, и Крик надеялся, что статистика подскажет, какая из букв означает некоторый нуклеотид. Но и здесь эксперимент не подтвердил предсказаний теории. Кроме того, критики отметили, что если, по мнеНИю Крика, неизвестно, откуда начинать чтение кода, то столь же НеИзвестно, читать ли его слева направо или справа налево. Поэтому надо было объединять друг с другом НЕ только Кодоны, получающиеся друг из друга циклическими перестановками, но и кодоны, отличающиеся порядком чтения (например, АТЦ и ЦТА). А тогда число классов недостаточно для кодирования.

Чисто комбинаторные попытки разгадать тайНУ генетического кода оказались безуспешными. Но они позволили четко поставить все вопросы, которые надо было решить экспериментально. И в 196l г. на биохимическом конгрессе в Москве слово для сообщения взял никому до того неизвестный американский ученый Ниренберг. Он сообщил об эксперименте, позволившем поставить в соответствие одному из кодонов определеННую амиНОкислоту. Через несколько лет гЕНетическИЙ код оказался полностью разгаданным. Из трех китов теории Гамова: код является Невырожденным, перекрывающимся и Триплетным, вернЫМ оказалось лишь последнее Утверждиние. На самом деле код неперекрывающийся и вырожденНЫй — НЕкоторыЕ аминокислоты соответствуют четырем нуклеотидам. Были найдены и три бессмысленНЫх Кодона, которым не соответствует ни одна аминокислота. По-видимому, оНИ играют роль знаков препиНАния в коде, показывая НАчало и конец синтезирования данного белка.

Теперь уже ясНА и роль вырождеННости кода. Из-за различных внешних воздействий в цепочке нуклеотидов возможны сбои. Благодаря вырожденности кода далеко на все сбои приводят к изменению синтезируемых аминокислоТ, к мутациям, которые могут оказаться гибельными для организма. Иными словами, вырожденНОсть геНЕтического кода повышает его помехоустойчивость.

< Предыдущая		Следующая >