Протеиногенные аминокислоты и генетический код¶

Протеиногенные аминокислоты — это α-аминокислоты, которые включаются в состав белков в ходе трансляции на рибосомах. Их кодирование определяется генетическим кодом — системой правил, по которым последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) переводится в последовательность аминокислот. В стандартном коде участвуют 20 протеиногенных аминокислот, а также селеноцистеин и пирролизин, включаемые особыми механизмами.

¶Состав и классификация

Каждая протеиногенная аминокислота содержит аминогруппу (–NH₂) и карбоксильную группу (–COOH) у одного и того же α-углеродного атома, к которому присоединены атом водорода и боковая цепь (радикал R). Именно радикал определяет химические свойства остатка в белке.

По строению радикала выделяют группы:

• Неполярные (гидрофобные): глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан.
• Полярные незаряженные: серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин.
• Отрицательно заряженные (кислые): аспарагиновая и глутаминовая кислоты.
• Положительно заряженные (основные): лизин, аргинин, гистидин.

Девять аминокислот — валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, треонин, лизин и гистидин — считаются незаменимыми для человека: они не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Пролин отличается тем, что его аминогруппа входит в циклическую структуру, что влияет на геометрию белковой цепи.

¶Генетический код

Генетический код записан триплетами — кодонами из трёх нуклеотидов. Поскольку нуклеотидов четыре, число возможных триплетов равно 4³ = 64. Из них 61 кодон кодирует 20 аминокислот, а три — UAA, UAG и UGA — служат сигналами остановки трансляции (стоп-кодонами). Стартовым кодоном почти всегда выступает AUG, кодирующий метионин.

Вырожденность кода означает, что большинство аминокислот кодируется несколькими синонимичными кодонами. Например, лейцин, серин и аргинин имеют по шесть кодонов, тогда как метионин и триптофан — по одному. Кодоны, кодирующие одну аминокислоту, часто различаются лишь третьим нуклеотидом, что снижает вред последствий точечных мутаций.

¶Реализация в клетке

Процесс перевода кода в белок включает два этапа. При транскрипции на матрице ДНК синтезируется мРНК, причём в РНК тимин заменяется урацилом. При трансляции рибосома движется вдоль мРНК, а транспортные РНК (тРНК) по принципу комплементарности узнают кодоны через антикодоны и доставляют соответствующие аминокислоты. Аминокислоты соединяются пептидными связями, образуя полипептидную цепь.

Соответствие между кодоном и аминокислотой обеспечивается ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами: для каждой аминокислоты существует своя синтетаза, что поддерживает точность трансляции.

¶Значение и нарушения

Генетический код лежит в основе биосинтеза белков и передачи наследственной информации. Мутации, изменяющие нуклеотидную последовательность, могут приводить к замене аминокислоты (миссенс-мутация), преждевременной остановке синтеза (нонсенс-мутация) или сдвигу рамки считывания. Такие изменения служат причиной многих наследственных заболеваний, например серповидноклеточной анемии, вызванной заменой глутаминовой кислоты на валин в β-цепи гемоглобина.

Расшифровка кода в 1961–1966 годах (работы М. Ниренберга, Х. Кораны, Р. Холли) стала одним из ключевых достижений молекулярной биологии и заложила основы биотехнологии, генной инженерии и синтеза искусственных белков.