Антикодон¶
Антикодон — это последовательность из трёх нуклеотидов (триплет) в составе транспортной РНК (тРНК), которая комплементарно связывается с кодоном матричной РНК (мРНК) при трансляции и обеспечивает встраивание соответствующей аминокислоты в синтезируемый белок. Антикодон является ключевым элементом генетического кода, реализующим принцип комплементарности «кодон — антикодон» и обеспечивающим точность переноса информации от нуклеиновых кислот к белкам.
¶Структура и расположение
Антикодон расположен в петле антикодона транспортной РНК — одном из трёх основных элементов «клеверообразной» вторичной структуры молекулы. Петля антикодона противоположна петле D и петле TΨC и содержит три нуклеотида, выступающих в сторону от остальной части молекулы. Длина антикодона строго фиксирована — три нуклеотида, что соответствует трёхбуквенной природе генетического кода.
При синтезе белка антикодон тРНК формирует водородные связи с кодоном мРНК, расположенным в А-центре рибосомы. Комплементарность идёт в антипараллельном направлении: 5'-конец антикодона соответствует 3'-концу кодона. Направление 5'→3' антикодона принято записывать в том же порядке, что и кодон, но в обратном направлении по цепи.
¶Вариантность и «разболтанность» третьего положения
Особенностью антикодона является наличие модифицированных оснований, особенно в третьем (5'-м) положении, которое контактирует с третьим нуклеотидом кодона. Наиболее распространённая модификация — инозин, образующийся в результате деаминирования аденозина. Инозин способен формировать водородные связи и с урацилом, и с цитозином, и с аденином, что позволяет одной тРНК считывать несколько кодонов, различающихся только третьим нуклеотидом. Это явление называется «разболтанностью» (wobble) третьего положения кодона и было предсказано Фрэнсисом Криком в 1966 году в рамках гипотезы разболтанного спаривания.
Благодаря разболтанности для считывания 61 смыслообразующего кодона достаточно 31 тРНК (минимальный теоретический набор в бактериях). В частности, одна тРНК с инозином в антикодоне может узнавать два кодона (например, UCU и UCC — оба кодируют серин).
¶Распознавание кодонов и аминокислотная специфичность
Связывание антикодона с кодоном происходит в рибосоме и сопровождается проверкой комплементарности. Однако правильность встраивания аминокислоты определяется не самим антикодоном, а ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой, который «заряжает» тРНК соответствующей аминокислотой. Каждая тРНК-синтетаза узнаёт свою тРНК по совокупности структурных элементов, включая антикодон, но не только по нему. Известны случаи, когда мутации в антикодоне не меняют аминокислотную специфичность тРНК, а мутации в других участках молекулы — меняют.
Это свойство лежит в основе феномена супрессорных тРНК — мутантных тРНК с изменённым антикодоном, способных считывать стоп-кодоны (UAA, UAG, UGA) и встраивать аминокислоту вместо сигнала остановки трансляции. Супрессорные тРНК используются в генной инженерии для включения нестандартных аминокислот в белки.
¶Классификация антикодонов и тРНК
В геноме человека насчитывается около 500 генов тРНК, распределённых по всем хромосомам, и примерно 100–180 из них кодируют антикодоны, соответствующие всем 61 смыслообразующему кодону. ТРНК, несущие одинаковый антикодон, но кодируемые разными генами, называются изоакцепторными.
По типу распознаваемого кодона антикодоны делятся на:
- кодирующие — комплементарные смыслообразующим кодонам;
- инициаторные — антикодон CAT (в записи 5'-UAC-3'), соответствующий кодону AUG старт-кодона, используемого для инициации трансляции;
- терминаторные — антикодоны, комплементарные стоп-кодонам (встречаются в основном у супрессорных тРНК и у некоторых организмов с кодом, отличающимся от стандартного).
¶Антикодон и генетический код
Антикодон является основой для построения таблицы генетического кода в комплементарной форме. Каждый аминокислотный кодон может быть представлен как триплет антикодона тРНК, доставляющей эту аминокислоту. Например, кодон GCU (аланин) комплементарен антикодону AGC тРНК^Ala.
В митохондриях и у ряда микроорганизмов генетический код имеет особенности: так, в митохондриях человека тРНК с антикодоном UAG может считывать и стоп-кодон UGA (кодирующий триптофан в митохондриальном коде). Эти особенности учитываются при аннотации митохондриальных геномов.
¶Роль в мутациях и эволюции
Мутации в генах тРНК, затрагивающие антикодон, могут приводить к ошибкам трансляции, супрессии стоп-кодонов или изменению аминокислотной последовательности белков. В эволюционном плане антикодон считается одним из ключевых элементов первичного генетического кода: по гипотезе Фрэнсиса Крика и других исследователей, распознавание кодонов антикодонами предшествовало появлению сложных аминоацил-тРНК-синтетаз.
¶Применение в биотехнологии
Знание принципов взаимодействия антикодона и кодона используется при:
- конструировании супрессорных тРНК для включения нестандартных аминокислот в белки;
- оптимизации кодонов (codon optimization) при синтезе генов — подборе кодонов, наиболее часто встречающихся в генах организма-хозяина, что повышает эффективность трансляции;
- разработке систем распознавания и редактирования РНК.
¶История
Понятие антикодона сформировалось в конце 1950-х — начале 1960-х годов в ходе расшифровки генетического кода. В 1965 году Хар Гобинд Корана синтезировал тРНК с определённым антикодоном и показал, что она распознаёт соответствующий кодон. В 1966 году Фрэнсис Крик предложил гипотезу разболтанного спаривания, объяснившую сокращённый набор тРНК относительно числа кодонов.
¶Источники
- Википедия: Транспортная РНК
- Википедия: Генетический код
- Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell
- Lodish H. et al. Molecular Cell Biology
- Crick F.H.C. Codon-anticodon pairing: the wobble hypothesis (1966)