Поток генетической информации днк рнк белок. Структуры, основные типы РНК, их роль в синтезе белков

14.08.2023 | Физика

Генетическая информация содержится в ДНК хромосом в ядре клетки. Однако белковый синтез, процесс, в котором информация, закодированная в гене, используется для определения функций клетки, происходит в цитоплазме. Это разделение отражает тот факт, что человек относится к эукариотам. Клетки человека имеют истинное ядро, содержащее геном, отделенный от цитоплазмы ядерной мембраной. У прокариот, например у кишечной палочки Escherichia coli, ДНК не изолирована в ядре.

Из-за компартментализации (разделения) эукариотических клеток передача информации из ядра в цитоплазму - сложный процесс, вызывающий пристальное внимание молекулярных и клеточных биологов.

Молекулярным посредником между двумя типами информации - генетическим кодом и аминокислотным кодом белков - служит рибонуклеиновая кислота (РНК). Химическая структура РНК подобна таковой у ДНК, за исключением того, что каждый нуклеотид РНК имеет углеводный компонент рибозу вместо дезоксирибозы; кроме того, в одном из пиримидиновых оснований РНК вместо тимина присутствует урацил (У). Еще одно различие между РНК и ДНК - то, что РНК в большинстве организмов существует как одиночная молекула, в то время как ДНК существует в форме двойной спирали.

Информационные отношения между ДНК, РНК и белком тесно переплетены: на основе геномной ДНК напрямую синтезируется последовательность РНК, а уже на ее основе синтезируется последовательность полипептидов. В синтезе и метаболизме ДНК и РНК участвуют специфические белки. Этот поток информации называется центральной догмой молекулярной биологии.

Генетическая информация хранится в ДНК генома в виде кода (генетический код обсуждается далее), в котором последовательность смежных оснований определяет последовательность аминокислот в полипептиде. Сначала по шаблону ДНК синтезируется РНК, этот процесс известен как транскрипция. РНК, несущая закодированную информацию, так называемая матричная РНК (мРНК), перемещается из ядра в цитоплазму, где последовательность мРНК декодируется (переводится), определяя последовательность аминокислот в синтезированном белке.

Процесс перевода (трансляция) происходит в рибосомах, представляющих собой цитоплазматические органеллы с сайтами узнавания для всех задействованных молекул, включая мРНК, участвующие в белковом синтезе. Рибосомы построены из множества различных структурных белков и специализированного типа РНК, известного как рибосомальная РНК (рРНК). При трансляции используется еще один, третий тип РНК, транспортная (тРНК), которая обеспечивает молекулярную связь между кодами, содержащимися в последовательности оснований мРНК и аминокислотной последовательности закодированного белка.

Вследствие взаимозависимого потока информации , представленного центральной догмой, можно обсуждать молекулярную генетику экспрессии генов на любом из трех информационных уровней: ДНК, РНК или белок. Мы начнем с изучения структуры генов в геноме как основы для обсуждения генетического кода, транскрипции и трансляции.

Вначале – несколько общих положений.

Вся программа химических процессов в организме записана в ДНК – молекулярном хранилище генетической информации. Обычно поток этой информации изоражают схемой: ДНК РНК БЕЛОК, на которой представлен процесс перевода генетического языка нуклеотидных последовательностей в аминокислотные последовательности. Схема ДНК РНК обозначает биосинтез молекул РНК, нуклеотидная последовательность которых комплиментарна какому-то участку (гену) молекулы ДНК. Этот процесс обычно называют транскрипцией. Таким образом синтезируется тРНК, рРНК, мРНК. Обозначение РНК БЕЛОК выражает биосинтез полипептидных цепей, аминокислотная последовательность которых задается нуклеотидной последовательностью мРНК при участии тРНК и рРНК. Этот процесс называется трансляцией. Оба процесса происходят при участии многочисленных белков, выполняющих каталитические и некаталитические функции.

Биосинтез РНК.

Для синтеза всех видов РНК (р, т, м) используется только один тип ферментов: ДНК – зависимые РНК – полимеразы, в состав которых входит прочно связанный ион цинка. В зависимости от того, какой вид РНК синтезируется, выделяют РНК – полимеразу 1 (катализирует синтез рРНК), РНК – полимеразу 2 (мРНК) и РНК – полимеразу 3 (тРНК). В митохондриях обнаружен еще один тип – РНК – полимераза 4. Молекулярные массы всех видов РНК – полимераз лежат в пределах 500000 – 600000. весь синтез проходит в соответствии с информацией, содержащейся в соответствующих генах ДНК. Из какого бы источника не был бы выделен выделен фермент РНК – полимераза (из животных, растений, бактерий), для него характерны следующие особенности функционирования in vivo:1) Используются трифосфонуклеозиды, а не ди- и не монофосфонуклеозиды. 2) Для оптимальной активности необходим ко-фактор – ион магния. 3) Фермент использует только одну цепь ДНК в качестве матрицы для синтеза комплиментарной копии РНК (почему и синтез - матричный). Последовательное присоединение нуклеотидов происходит так, что цепь наращивается от 5` к 3` концу (5` - 3` иолимеризация):

Ф – Ф – Ф – 5` Ф – Ф – Ф – 5` Ф – Ф – Ф –5`

5) Для начала синтеза может использоваться затравочная порция РНК:

Нуклеозидтрифосфат

(РНК)n остатков (РНК)n + 1 + ПФ

РНК – полимераза

В то же время может идти (чаще так и бывает) полимеризация без затравки, с использованием вместо затравочной порции только одного нуклеозидтрифосфата (как правило, это АТФ или ГТФ).

6) В ходе этой полимеризации фермент копирует только одну цепь ДНК и передвигается по матрице в направлении 3` - 5`. Выбор копируемой цепи не случаен.

7) Цепь матричной ДНК содержит сигналы инициации синтеза РНК для фермента, расположенные в определенных положениях перед началом гена, и сигналы терминации синтеза, расположенные вслед за концом гена или группы генов.

8) Для описанных выше процессов может потребоваться суперскрученная ДНК, что помогает узнавать сигналы инициации и терминации синтеза и облегчает связывание РНК – полимеразы с матрицей.

РНК – полимераза представляет собой олигомерный фермент, ссостоящий из 5 субъединиц: альфа, альфа`, бета, бета`, гамма. Определенным субъединицам соответствуют определенные функции: например, бета – субъединица участвует в образовании фосфодиэфирной связи, гамма – субъединица участвует в распознавании стартового сигнала.

Участок ДНК, отвечающий за первоначальное связывание РНК – полимеразы, называется промотором, содержит 30 – 60 пар азотистых оснований.

Синтез РНК под действием ДНК – зависимой РНК – полимеразы происходит в 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.

1)Инициация – гамма-субъединица, находясь в составе РНК – полимеразы, способствует не только «узнаванию» промоторных участков ДНК, но и непосредственно связывается в районе ТАТА – последовательности. Помимо того, что ТАТА – участок является сигналом для узнавания, он, возможно, обладает и наименьшей прочностью водородных связей, что облегчает «расплетание» нитей ДНК. Есть сведения, что в стимуляции этого процесса принимает участие и цАМФ. В раскрывании двойной спирали ДНК принимает участие и гамма-субъединица РНК – полимеразы. При этом одна из цепей ДНК служит матрицей для синтеза новой цепи РНК. И как только начинается этот синтез, гамма-субъединица отделяется от фермента, и, в дальнейшем, присоединяется к другой молекуле фермента, чтобы участвовать в новом цикле транскрипции. «Расплетение» ДНК происходит по мере продвижения РНК – полимеразы по кодирующей цепи. Оно необходимо для правильного образования комплиментарных пар со встраиваемыми в цепь РНК нуклеотидами. Размер расплетенного участка ДНК постоянен в течении всего процесса и составляет около 17 пар нуклеотидов на молекулу РНК – полимеразы. Одну и ту же кодирующую цепь могут одновременно считывать несколько молекул РНК – полимеразы, но процесс отрегулирован таким образом, что в каждый данный момент каждая молекула РНК – полимеразы транскрибирует различные участки ДНК. В то же время, для ДНК – зависимой РНК – полимеразы 3, синтезирующей тРНК, характерно «узнавание» внутреннего промотора.

2)Элонгация, или продолжение синтеза осуществляется РНК – полимеразой, но уже в виде тетрамера, т.к. гамма-субъединица уже отщепилась. Новая цепь растет путем последовательного добавления рибонуклеотидов к свободной 3` - оксигруппе. Скорость синтеза, например, иРНК сывороточного альбумина составляет до 100 нуклеотидов в секунду. В отличие от ДНК – полимеразы (о которой мы будем говорить ниже), РНК – полимераза не проверяет правильность новообразованной полинуклеотидной цепи. Частота ошибок при синтезе РНК составляет 1: 1000000.

3)Терминация – здесь принимает участие белковый фактор r (ро). Он не входит в состав РНК – полимеразы. Вероятно, он узнает терминаторную последовательность нуклеотидов на матрице по одному из механизмов взаимодействия гамма-субъединици и промотора. Терминатор также содержит около 30 – 60 пар нуклеотидов и заканчивается серией АТ – пар, хотя для некоторых РНК отмечено, что сигналы терминации отстоют от кодирующего гена на 1000 – 2000 оснований. Возможно, что и одна из частиц полимеразы участвует в узнавании терминаторной последовательности. При этом синтез РНК прекращается и молекула насинтезированного РНК сходит с фермента. Большая часть таким образом синтезируемых молекул РНК не является биологически активными. Скорее, они представляют собой предшественники, которые должны превратиться в зрелые формы в ходе различных реакций. Это называется процессинг. Такими реакциями являются: (1)Фрагментация длинноцепочечных предшественников (причем из одного транскрипта может образоваться от 1 до 3 тРНК). (2) Присоединение нуклеотидов к концам. (3) Специфическая модификация нуклеотидов (метилирование, сульфирование, дезаминирование и т.д.).

Процессинг мРНК имеет еще одну особенность. Оказалось, что иногда информация, кодирующая АК – последовательность в генах, прерывается некодирующими последовательностями, т.е. «гены разорван». Но при транскрипции копируется весь «разорванный» ген. В этом случае при процессинге эндонуклеазы, или их называют рестриктазой, вырезают некодирующие участки (интроны). Их выделено в настоящее время более 200. Рестриктазы расщепляют связи (в зависимости от вида фермента) между строго определенными нуклеотидаами (например Г – А, Т – А и т.д.). Затем лигазы сшивают кодирующие участки (экзоны). Большинство последовательностей, транскрипты которых представлены в зрелых мРНК разорваны в геноме от одного до 50 раз некодирующими участками (интронами). Как правило интроны значительно длиннее чем экзоны. Функции интронов точно не установлены. Возможно, они служат для физического разделения экзонов с целью оптимизации генетических перестроек (рекомбинаций). Существует и безматричный синтез РНК. Этот процесс катализирует фермент полинуклеотидфосфорилаза: нуклДФ + (нуклМФ)n (нуклМФ)n+1 + Фк. Этот фермент не требует матрицы и не синтезирует полимер со специфической полинуклеотидной последовательностью. Цепь РНК ему необходима лишь в качестве затравки. На процесс синтеза РНК ингибирующие влияние оказывает ряд антибиотиков (около 30). Здесь два механизма: (1) связывание с РНК-полимеразой, что приводит к инактивированию фермента (например рифамицин связывается с b- единицей). (2) Антибиотики могут связываться с матричной ДНК и блокировать либо соединение фермента с матрицей, либо перемещение РНК-полимеразы по ДНК (это, например, актиномицин Д).

Биосинтез ДНК.

Генетическая информация, заключенная в ДНК хромосомы может быть передана либо путем точной репликации, либо с помощью рекомбинации, транспозиции и конверсии:

1) Рекомбинация две гомологические хромосомы обмениваются генетическим материалом.

2) Транспозиция – способность перемещения генов по хромосоме или между хромосомами. Возможно, это играет важную роль в клеточной дифференцировке.

3) Конверсия - одинаковые последовательности хромосом могут формировать случайные пары, а несовпадающие участки удаляются.

4) Репликация (это основной вид синтеза ДНК), то есть воспроизведение «себе подобных».

Главное функциональное значение репликации – снабжение потомства генетической информацией. Основной фермент, катализирующий синтез ДНК – это ДНК-полимераза. Выделено несколько видов ДНК-полимеразы: 1) альфа – (выделена из ядра) – это основной фермент, связанный с репликацией хромосом. 2) бета – (так же локализована в ядре) – по-видимому, участвуют в репарации и процессах рекомбинации. 3) гамма – (локализованы в митохондриях) – вероятно, участвует в репликации митохондриальных ДНК. Для работы ДНК-полимеразы необходимы следующие условия: 1) в среде должны присутствовать все 4 дезоксирибонуклеотида (дАТФ, дГТФ, дЦТФ и ТТФ); 2) для оптимальной активности необходим ко-фактор: ионы марганца; 3) необходимо присутствие копируемой двухцепочечной ДНК; 4) нуклеотиды присоединяются в направлении 5` - 3` (5` - 3` - полимеризация); 5) репликация начинается в строго определенном участке и идет одновременно в обоих направлениях с примерно одинаковой скорость; 6) для начала синтеза может использоваться как затравочная порция либо фрагмент ДНК, либо фрагмент РНК, в отличие от синтеза РНК, где возможен синтез из отдельных нуклеотидов; 7) для репликации необходима суперспирализованная молекула ДНК. Но, если, как мы говорили выше, для транскрипции (то есть для синтеза РНК) необходимы РНК-полимераза (с гамма-субъединицей для узнавания и связывания с промотором) и белок узнования сигнала терминации (фактор r), при репликации ДНК действие ДНК полимеразы дополняют несколько (около 10) белков, часть которых представляют собой ферменты. Эти дополнительные белки способствуют:

1)узнавания точки начала репликации ДНК-полимеразой.

2) Локальному расплетанию дуплекса ДНК, что освобождает одиночные цепи для копирования матрицы.

3) Стабилизации расплавленной структуры (расплетенной).

4) Образование затравочных цепей для инициации действия ДНК-полимеразы.

5) Участвует в формировании и продвижении репликационной вилки.

6) Способствует узнаванию участков терминации.

7) Способствует суперспирализации ДНК.

Мы оговорили все необходимые условия репликации ДНК. И так, как уже упоминалось, репликация ДНК начинается в строго определенном месте. Для расплетания родительской ДНК требуется энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ. На разделение каждой пары АО затрачивается две молекулы АТФ. Синтез новой ДНК сопряжен с одновременным раскручиванием родительской ДНК. Участок, где происходит одновременно расплетание и синтез, называется «репликационной вилкой»:

Родительская ДНК

Вновь синтезируемые ДНК

Репликация ДНК происходит таким образом, что каждая цепь родительской 2-цепочечной ДНК является матрицей для синтеза новой комплиментарной цепи и две цепи (исходная и вновь синтезируемая), соединяясь образуют следующие поколения ДНК. Этот механизм называют полуконсервативная репликация. Репликация ДНК проходит одновременно на 2 цепях, и идет, как уже упоминалось в направлении 5` - 3`. Но ведь цепи родительской ДНК разнонаправлены. Однако, фермента, ведущего синтез ДНК в направлении 3` - 5` нет. Поэтому, одна цепь, копирующая материнскую с направленностью 5` - 3`, будет синтезироваться непрерывно (ее называют «лидирующая»), вторая цепь будет синтезироваться тоже в направлении 5` - 3`, но фрагментами по 150 – 200 нуклеотидов, которые впоследствии сшиваются. Эту цепь называют «отстающая».

Для того, чтобы начался синтез новой ДНК необходима затравка. Мы уже говорили, что затравкой может быть фрагмент ДНК или РНК. Если затравкой служит РНК, то это очень короткая цепь, она содержит около 10 нуклеотидов и называется праймером. Синтезирует праймер, комплементарный одной из цепей ДНК, особый фермент – праймаза. Сигналом для активации праймазы служит образование предзатравочного промежуточного комплекса, состоящего из 5 белков. 3`-концевая группа (гидроксильная группа концевого рибонуклеотида праймера) и служит затравкой для синтеза ДНК под действием ДНК-полимеразы. После синтеза ДНК, РНК-компанент (праймер) гидролизуется под действием ДНК-полимеразы.

Работа ДНК-полимераз направляется матрицей, то есть нуклеотидный состав новосинтезированной ДНК зависит от характера матрицы. В свою очередь, ДНК-полимераза всегда удаляет некомплементарные остатки на конце затравки, прежде чем продолжать полимеризацию. Таким образом, репликация ДНК идет с большой точностью, так как спаривание оснований проверяется дважды. ДНК-полимеразы способны наращивать цепи вновь синтезируемых ДНК, но не способны катализировать соединение 2 цепей ДНК или замыкать одну цепь (при образовании кольцевой ДНК). Эти функции выполняет ДНК-лигаза, который катализирует образование фосфодиэфирной связи между 2 цепями ДНК. Фермент этот активен при наличии свободной – ОН-группы на 3` конце одной цепи ДНК и фосфатной группы на 5` конце другой цепи ДНК. Сшивание цепей происходит за счет энергии АТФ. Поскольку множество химических и физических агентов (ионизирующая радиация, УФЛ, различные химические вещества) вызывают в ДНК повреждение (изменяются или теряются АО, разрываются фосфодиэфирные связи и.д.), во всех клетках имеются механизмы для исправления этих повреждений. ДНК-рестриктаза находит эти повреждения и вырезает поврежденный участок, ДНК-полимераза проводит репарационный (восстановительный) синтез поврежденных участков в направлении 5` - 3`. Восстановленный участок сшивается с остатком цепи ДНК-лигазой. Этот метод исправления измененных или поврежденных участков называется репарацией. Список ингибиторов репликации ДНК многообразен и велик. Одни связываются с ДНК полимеразой, инактивируя ее, другие связываются и инактивируют определенный вспомогательный блок, третьи внедряются в матричную ДНК, нарушая ее спосоьность к копированию, четвертые выступают в роли конкурентных ингибиторов, представляя собой аналог нормальных нуклеотидтрифосфатов. Такими ингибиторами являются некоторые антибиотики, мутагены, химические яды, антивирусные агенты и т.д.

Биосинтез белка (трансляция генов).

Сборка полипептидной цепи из составляющих ее АК представляет собой удивительный и очень сложный процесс, который можно представить происходящим в 4 стадии, а именно:

1) активация и отбор АК (АТФ-зависимая стадия);

2) инициация синтеза полипептидной цепи (ГТФ-зависимая стадия);

3) элонгация полипептидной цепи (ГТФ-зависимая стадия);

4) терминация синтеза полипептидной цепи.

(1)– активация и отбор АК. Во всех типах клеток первой стадией трансляции является АТФ-зависимое превращение каждой АК в комплекс: аминоацил-тРНК. Этим достигается две цели:

1) повышается реакционная способность АК в плане образования пептидной связи.

2) АК соединяется со специфической тРНК (то есть происходит отбор). Реакция идет в 2 стадии + Mg++

1) АК + АТФ аминоацил – АМФ + ПФ

аминоацил-тРНК-синтетаза

2) аминоацил-АМФ + тРНК аминоацил-тРНК

аминоацил-тРНК-синтетаза

Аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует присоединение аминоацила (аминокислотного остатка) к 3` гидроксильной группе концевого аденозина. Вспомним строение тРНК:

Это плечо необходимо это плечо участвует в связывании аминоацил-

Для узнования тРНК тРНК с рибосомой в месте синтеза белка.

Аминоацил-тРНК-

Петидазой

антикодон

Помимо каталитической активности, аминоацил-тРНК-синтетаза обладает очень высокой специфичностью, «узнавая» как аминокислоты, так и соответствующие им тРНК. Предполагается, что клетки содержат 20 синтетаз – по одной на каждую АК, в то время тРНК гораздо больше (не менее 31 -32), так как многие АК могут соединятся с двумя и даже с тремя различными молекулами тРНК.

(2)Инициация – вторая стадия синтеза белков.

Для начала трансляции необходимо точное узнавание первого кодона, расположенного сразу же за не транслируемой последовательностью мРНК. Инициаторным кодоном является АУГ, а инициатором выступает метионин-тРНК

МРНК не транслируемая транслируемая не транслируемая

последовательность последовательность последовательность

1-ый кодон.

Узнавание идет с помощью антикодона тРНК. Считывание происходит в направлении 5` - 3`. Это узнавание требует упорядоченного, идущего с затратой энергии (ГТФ) взаимодействия с диссоциированными рибосомами. Этот процесс происходит с участием дополнительных белков, которые называют факторы инициации (ФИ), их 8. В процессе участвуют 40S и 60S субъединиц рибосом. Рассмотрим подробный механизм инициации.

1) 40S – субъединица рРНК связывается с областью мРНК, предшествующей первому кодону. В этом принимает участие ФИ-3.

2) Первая аминоацил-тРНК, участвующая в трансляции первого кодона, взаимодействует с ГМФ и ФИ-2. Этот образовавшийся комплекс в присутствии ФИ-1 присоединяет тРНК к первому кодону матрицы и образует инициаторный комплекс с 40S субъединицей рибосомы.

3) После высвобождения всех факторов инициации (ФИ-1,2,3) к ГТФ присоединяется 60S субъединица рибосомы, при этом происходит гидролиз ГТФ. Так завершается образование полной 80S-частицы рибосомы. таким образом образуется полный инициаторный комплекс: рибосома – мРНК – тРНК.

Полностью собранная рибосома содержит 2 функциональных участка для взаимодействия с молекулами тРНК. Пептидильный участок (Р-участок) – содержит растущую полипептидную цепь в составе пептидил-тРНК в комплексе с последним протранслированным кодоном мРНК. Аминоацильный участок (А-участок) содержит аминоацил-тРНК, соединенную с соответствующим кодоном, аминоацил-тРНК попадает в формирующийся Р-участок, оставляя А-участок свободным для следующей Аминоацил-тРНК.

Схематично весь этот процесс мы можем представить так:

1)40S-субъединица рибосомы при участии ФИ-3 присоединяется к нетранслирующей последовательности мРНК непосредственно перед первым кодоном.

2)аминоацил-тРНК, соединяется с ГТФ и ФИ-2 и при участии ФИ-1 присоединяеся к первому кодону, при этом образует с 40S-субъединицей инициаторный комплекс.

3)происходит освобождение ФИ-1,2,3.

4) 60S-субъединица взаимодействует с ГТФ и затем присоединяется к инициаторному комплексу. Образуется полная 80S-рибосома, имеющая Р-участок и А-участок.

5)после образования инициаторного комплекса с первым кодоном, аминоацил-тРНК попадает в формирующийся Р-участок, оставляя А-участок свободным.

(3)Элонгация – продолжение синтеза. На этом этапе происходит удлинение пептидной цепи. В полностью сформированной на стадии инициации 80S-рибосома, А-участок свободен. По сути, в процессе элонгации постоянно повторяется цикл из 3 стадий:

1) Правильное расположение следующей аминоацил-тРНК.

2) образование пептидной связи.

3) перемещение новообразованной пептидил-тРНК из А-участка в Р-участок.

(1)– присоединение соответствующей (следующей) аминоацил-тРНК в А-участке требует точного узнавания кодона. Это происходит с помощью антикодона тРНК. Присоединение аминоацил-тРНК к рибосоме происходит благодаря образованию комплекса, состоящего из аминоацил-тРНК, ГТФ и белковых факторов элонгации (ФЭ), их тоже несколько. При этом высвобождается комплекс ФЭ – ГДФ и фосфат. Этот комплекс (ФЭ – ГДФ) затем (при участии ГТФ и других белковых факторов) вновь превращается в ФЭ – ГТФ.

(2) - альфа аминогруппа новой аминоацил-тРНК в участке А осуществляет нуклеофильную атаку эстерефицированной карбоксильной группы пептидил – тРНК, занимающей Р-участк. Эта реакция катализируется пептидилтрансферазой – белковым компонентом, входящим в состав 60S-субъединицы рибосомы. поскольку АК а аминоацил-тРНК уже активирована, для этой реакции (реакции образования пептидной связи) дополнительной энергии не требуется. В результате реакции растущая полипептидная цепь оказывается прикрепленной к тРНК, находящейся в А-участке.

(3) – после удаления пептдильного остатка с тРНК в Р-участки, свободная молекула РНК покидает Р-участок. Комплекс ФЭ-2 – ГТФ участвует в перемещении новообразованной пептидил-тРНК из А-участка в Р-участок, освобождая А-участок для нового цикла элонгации. Совокупность отделения деацилированной тРНК, передвижение новообразованной пептидил-тРНК из А-участка в Р-участок, а так же передвижение мРНК относительно рибосомы, называется транслокацией. Поскольку на образование аминоацил-тРНК затрачивалась энергия, получаемая при гидролизе АТФ до АМФ, а это эквивалентно энергии гидролиза 2АТФ до 2 АДФ; на присоединения аминоацил-тРНК к А-участку требовалась энергия, получаемая при гидролизе ГТФ до ГДФ, и еще одна молекула ГТФ затрачивалась на транслокацию. Мы можем подсчитать, что на образование одной пептидной связи нужна энергия, получаемая при гидролизе 2 молекул АТФ и 2 молекул ГТФ.

Скорость наращивания полипептидной цепи (то есть скорость элонгации) in vivo оценивается в 10 аминокислотных остатков в секунду. Эти процессы ингибируются разными антибиотиками. Так, пуромицин блокирует транслокацию, соединяясь с

Р-участком. Стрептомицин, связываясь с рибосомными белками, нарушает узнавание кодона антикодоном. Хлоромицитин связывается с А-участком, блокируя элонгацию. Схематично это можно представить так: 1) следующая аминоацил-тРНК благодаря узнаванию с помощью антикодона закрепляется в А-участке. Присоединение происходит в комплексе с ГТФ и ФЭ-1. при этом высвобождается ГДФ – ФЭ – 1 и Фк, который затем снова превращается в ГТФ – ФЭ-1 и принимает участие в новых циклах. 2) Происходит образование пептидой связи между присоединившейся аминоацил-тРНК и пептидом, находящемся в Р-участке. 3) При образовании этой пептидной связи от пептида отделяется тРНК и покидает Р-участок. 4) Новообразованный пептидил-тРНК с помощью комплекса ГТФ – ФЭ2 перемещается из А в Р-участок, а комплекс ГТФ – ФЭ2 гидролизуется до ГДФ – ФЭ-2 и Фк. 5) В результате этого перемещения А-участок освобождается для присоединения новой аминоацил-тРНК.

(4)-Терминация – заключительный этап синтеза белка. После многих циклов элонгации, в результате которых синтезируется полипептидная цепь белка, в

А-участке появляется терминирующий или нонсенс-кодон. В норме отсутствуют тРНК, способные узнать нонсенс-кодон. Их распознают специфические белки – факторы терминации (R-факторы). Они специфически узнают нонсенс-кодон, связываются с рибосомой вблизи А-участка, блокируя присоединение следующей аминоацил-тРНК. R-факторы при участии ГТФ и пептидилтрансферазы обеспечивают гидролиз связи между полипептидом и молекулой тРНК, занимающей Р-участок. После гидролиза и высвобождения полипептида и тРНК, 80S-рибосома диссоциирует на 40S и 60S субъединицы, которые затем могут вновь использоваться в трансляции новых мРНК.

Мы рассмотрели рост одной единственной цепи белка на одной рибосоме, присоединенной к одной молекуле мРНК. В действительности процесс протекает более эффективно, так как мРНК обычно транслируется одновременно не на одной рибосме, а на рибосомных комплексах (полисомах) и каждая стадия трансляции (инициация, элонгация, терминация) осуществляется при этом каждой рибосомой в этой полисоме, в этом рибосомальном комплексе, то есть появляется возможность синтеза нескольких копий полипептида, прежде чем мРНК будет расщеплена.

Размеры полисомных комплексов сильно варьируют и обычно определются размерами молекулы мРНК. Очень большие молекулы мРНК способны образовывать комплексы с 50 – 100 рибосомами. Чаще, однако,комплекс содержит от 3 до 20 рибосом.

В клетках животных и человека многие белки синтезируются по мРНК в виде молекул-предшественников, которые затем для образования активных молекул должны быть модифицированы, по аналогии с синтезом НК. В зависимости от белка могут происходить одна или большее число следующих модификаций.

1) Образование дисульфидной связи.

2) Присоединение ко-фактров и ко-ферментов.

3) Присоединение простетических групп.

4) Частичный протеолиз (проинсулин - инсулин).

5) Образование олигомеров.

6) Химическая модификация (ацилирование, аминирование, метилирование, фосфорилирование, карбоксилирование и т.д.) – известно более 150 химических модификаций АК в составе молекулы белка.

Все перечисленные модификации приводят к изменению структуры и активности белков.

Генетический код.

То что передача генетической информации ДНК происходит с помощью молекулы мРНК впервые предположили в 1961 году Ф.Жакоб и Ж.Моно. Последующие работы (М.Ниренберг, Х.Г.Корана, РУ.Холли):

М.Ниренберг – изучал синтез полипептидов и связывание аминоацил-тРНК с рибосомами.

Х.Г.Корана – разработал метод химического синтеза поли- и олигонуклеотидов.

Р.У.Холии – расшифровал структуру ДНК с антикодоновым участком.

1) Подтвердили гипотезу об участии мРНК

2) Показали триплетную природу кода, согласно которой каждая АК програмируется в мРНК 3 основаниями, названными кодоном

3) Установили, что код мРНК читается путем комплементарного узнавания кодоном антикодоновым триплетом тРНК.

4) Установили соответствие между АК и большинством из 64 возможных кодонов. В настоящее время известно что 61 кодон кодируют АК, а 3 являются сигналами терминации (нонсенс-кодон).

Считалось, что генетический код универсален, то есть для всех организмов и всех видов клеток одни и те же значения используются для всех кодонов. Однако, последние исследования митохондриальной ДНК показали, что генетическая система митохондрий в значительной мере отличается от генетической системы других образований (ядра, хлоропластов), то есть тРНК митохондрий некоторые кодоны считывают иначе, чем тРНК других образований. В результате для митохондрий необходимо только 22 вида тРНК. В то время, как для синтеза белка в цитоплазме используются 31 – 32 вида тРНК, то есть весь набор тРНК.

18 из 20 АК кодируются более чем одним кодоном (2, 3, 4, 6) – это свойство называется «вырожденностью» кода и имеет важное значение для организма. Вследствие вырожденности некоторые ошибки при репликации или транскрипции не вызывают искажения генетической информации. Генетический код не перекрывается и не имеет знаков пунктуации, то есть считывание идет без каких-либо пропусков, последовательно, до достижения нонсенс-кодона. В то же время для вирусов отмечено совершенно другое свойство – кодоны могут «перекрываться»:

1) Если замена приходится на 3-й нуклеотид кодона, то, вследствии «вырожденности» кода, существует вероятность того, что последовательность АК останется неизменной и мутация не проявится.

2) Может иметь место миссенс-эффект, когда одна АК заменяется другой; эта замена может быть приемлима, частично приемлима или неприемлима, то есть функция белка страдает, нарушается или полностью теряется.

3) В результате мутаций может образоваться нонсенс-кодон. Образование нонсенс-кодона (терминирующего кодона) может привести к преждевременной терминации синтеза белка.

Суммируя сказанное:

1) Генетически код («язык жизни») состоит из последовательности кодонов, которая, собственно и образует ген.

2) Генетический код обладает триплетностью, то есть каждый кодон состоит из трех нуклеотидов, то есть каждый кодон кодирует 1 АК. При этом из 4 видов нуклеотидов ДНК возможно образование 64 сочетаний, что более чем достаточно для 20 АК.

3) Код «вырожденный» - то есть одна АК может кодироваться 2, 3, 4, 6 кодонами.

4) Код однозначный, то есть один кодон кодирует только одну АК.

5) Код не перекрывающийся, то отсутствуют нуклеотиды, входящие в два соседние кодона.

6) Код «без запятых», то есть отсутствуют нуклеотиды между двумя соседними кодонами.

8) Последовательность АК в полипептиде соответствует последовательности кодонов в гене – это свойство называется коллинеарность.

Похожая информация.

Время, в которое мы живем, отмечено потрясающими переменами, огромным прогрессом, когда люди получают ответы на все новые и новые вопросы. Жизнь стремительно движется вперед, и то, что еще совсем недавно казалось невозможным, начинает претворяться в жизнь. Вполне возможно, что представляется сегодня сюжетом из жанра фантастики, скоро тоже приобретет черты реальности.

Одним из важнейших открытий во второй половине двадцатого столетия стали нуклеиновые кислоты РНК и ДНК, благодаря которым человек приблизился к разгадкам тайн природы.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты - это органические соединения, обладающие высокомолекулярными свойствами. В их состав входят водород, углерод, азот и фосфор.

Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером, который исследовал гной. Однако тогда его открытию не придали особого значения. Лишь позже, когда эти кислоты обнаружили во всех животных и растительных клетках, пришло понимание огромной их роли.

Существуют два вида нуклеиновых кислот: РНК и ДНК (рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты). Настоящая статья посвящена рибонуклеиновой кислоте, но для общего понимания рассмотрим также, что собой представляет ДНК.

Что такое

ДНК — это состоящая из двух нитей, которые соединены по закону комплементарности водородными связями азотистых оснований. Длинные цепи закручены в спираль, один виток содержит почти десять нуклеотидов. Диаметр двойной спирали составляет два миллиметра, расстояние между нуклеотидами - около половины нанометра. Длина одной молекулы порой достигает нескольких сантиметров. Длина ДНК ядра человеческой клетки составляет почти два метра.

В структуре ДНК содержится вся ДНК обладает репликацией, что означает процесс, в ходе которого из одной молекулы образуются две совершенно одинаковые - дочерние.

Как уже было отмечено, цепь складывается из нуклеотидов, состоящих, в свою очередь, из азотистых оснований (аденина, гуанина, тимина и цитозина) и остатка кислоты фосфора. Все нуклеотиды различаются азотистыми основаниями. Водородная связь возникает не между всеми основаниями, аденин, к примеру, может соединяться только с тимином или гуанином. Таким образом, адениловых нуклеотидов в организме столько же, сколько тимидиловых, а число гуаниловых равно цитидиловым (правило Чаргаффа). Получается, что последовательность одной цепочки предопределяет последовательность другой, и цепи как бы зеркально отражают друг друга. Такая закономерность, где нуклеотиды двух цепей располагаются упорядоченно, а также соединяются избирательно, называется принципом комплементарности. Кроме водородных соединений, двойная спираль взаимодействует и гидрофобно.

Две цепи разнонаправлены, то есть расположены в противоположных направлениях. Поэтому напротив трех"-конца одной находится пяти"-конец другой цепи.

Внешне напоминает винтовую лестницу, перилом которой является сахарофосфатный остов, а ступеньками — комплементарные основания азота.

Что такое рибонуклеиновая кислота?

РНК — это нуклеиновая кислота с мономерами, называющимися рибонуклеотидами.

По химическим свойствам она очень похожа на ДНК, так как обе являются полимерами нуклеотидов, представляющих собой фосфолированный N-гликозид, который выстроен на остатке пентозы (пятиуглеродного сахара), с фосфатной группой пятого углеродного атома и основания азота при первом углеродном атоме.

Она представляет собой одну полинуклеотидную цепочку (кроме вирусов), которая намного короче, чем у ДНК.

Один мономер РНК — это остатки следующих веществ:

основания азота;
пятиуглеродного моносахарида;
кислоты фосфора.

РНК имеют пиримидиновые (урацил и цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Рибоза является моносахаридом нуклеотида РНК.

Отличия РНК и ДНК

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга следующими свойствами:

количество ее в клетке зависит от физиологического состояния, возраста и органной принадлежности;
ДНК содержит углевод дезоксирибозу, а РНК — рибозу;
азотистое основание у ДНК — тимин, а у РНК — урацил;
классы выполняют различные функции, но синтезируются на матрице ДНК;
ДНК состоит из двойной спирали, а РНК — из одинарной цепи;
для нее нехарактерны действующие у ДНК;
в РНК больше минорных оснований;
цепи существенно отличаются по длине.

История изучения

Клетка РНК впервые была открыта биохимиком из Германии Р. Альтманом при исследовании дрожжевых клеток. В середине двадцатого века была доказана роль ДНК в генетике. Лишь тогда описали и типы РНК, функции и так далее. До 80-90% массы в клетке приходится на р-РНК, образующих совместно с белками рибосому и участвующих в биосинтезе белка.

В шестидесятых годах прошлого столетия впервые предположили, что должен существовать некий вид, который несет в себе генетическую информацию для синтеза белка. После этого научно установили, что есть такие информационные рибонуклеиновые кислоты, представляющие комплементарные копии генов. Их еще называют матричными РНК.

В декодировании записанной в них информации участвуют так называемые транспортные кислоты.

Позже стали разрабатываться способы выявления последовательности нуклеотидов и устанавливаться структура РНК в пространстве кислоты. Так было обнаружено, что некоторые из них, которые назвали рибозимами, могут расщеплять полирибонуклеотидные цепи. Вследствие этого стали предполагать, что в то время, когда зарождалась жизнь на планете, РНК действовала и без ДНК и белков. При этом все превращения производились с ее участием.

Строение молекулы рибонуклеиновой кислоты

Почти все РНК - это одиночные цепи полинуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из монорибонуклеотидов — пуриновых и пиримидиновых оснований.

Нуклеотиды обозначают начальными буквами оснований:

аденина (А), А;
гуанина (G), Г;
цитозина (С), Ц;
урацила (U), У.

Они связаны между собой трех- и пятифосфодиэфирными связями.

Самое разное количество нуклеотидов (от нескольких десятков до десятков тысяч) входит в строение РНК. Они могут формировать вторичную структуру, состоящую в основном из коротких двуцепочных тяжей, которые образовались комплементарными основаниями.

Структура молекулы рибнуклеиновой кислоты

Как уже было сказано, у молекулы имеется однонитевое строение. РНК получает вторичную структуру и форму в результате взаимодействия нуклеотидов между собой. Это полимер, мономером которого является нуклеотид, состоящий из сахара, остатка кислоты фосфора и основания азота. Внешне молекула похожа на одну из цепей ДНК. Нуклеотиды аденин и гуанин, входящие в состав РНК, относятся к пуриновым. Цитозин и урацил являются пиримидиновыми основаниями.

Процесс синтеза

Чтобы молекула РНК синтезировалась, матрицей является молекула ДНК. Бывает, правда, и обратный процесс, когда новые молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты образуются на матрице рибонуклеиновой. Такое встречается при репликации некоторых видов вирусов.

Основой для биосинтеза могут служить также другие молекулы рибонуклеиновой кислоты. В ее транскрипции, которая происходит в ядре клетки, участвуют много ферментов, но самым значимым из них является РНК-полимераза.

Виды

В зависимости от вида РНК, функции ее также отличаются. Существуют несколько видов:

информационная и-РНК;
рибосомальная р-РНК;
транспортная т-РНК;
минорная;
рибозимы;
вирусные.

Информационная рибонуклеиновая кислота

Такие молекулы еще называют матричными. Они составляют в клетке примерно два процента от всего количества. В клетках эукариот они синтезируются в ядрах на ДНК-матрицах, переходя затем в цитоплазму и связываясь с рибосомами. Далее, они становятся матрицами для синтеза белка: к ним присоединяются транспортные РНК, которые несут аминокислоты. Так происходит процесс преобразования информации, которая реализуется в уникальной структуре белка. В некоторых вирусных РНК она к тому же является хромосомой.

Жакоб и Мано являются открывателями этого вида. Не имея жесткой структуры, ее цепь образует изогнутые петли. Не работая, и-РНК собирается в складки и сворачивается в клубок, а в рабочем состоянии разворачивается.

и-РНК несет в себе информацию о последовательности аминокислот в белке, который синтезируется. Каждая аминокислота закодирована в определенном месте при помощи генетических кодов, которым свойственны:

триплетность — из четырех мононуклеотидов возможно выстроить шестьдесят четыре кодона (генетического кода);
неперекрещиваемость — информация движется в одном направлении;
непрерывность — принцип работы сводится к тому, что одна и-РНК — один белок;
универсальность — тот или иной вид аминокислоты кодируется у всех живых организмов одинаково;
вырожденность — известными являются двадцать аминокислот, а кодонов — шестьдесят один, то есть они кодируются несколькими генетическими кодами.

Рибосомальная рибонуклеиновая кислота

Такие молекулы составляют подавляющее большинство клеточных РНК, а именно от восьмидесяти до девяноста процентов от общего количества. Они соединяются с белками и формируют рибосомы — это органоиды, выполняющие синтез белков.

Рибосомы состоят на шестьдесят пять процентов из р-РНК и на тридцать пять процентов из белка. Эта полинуклеотидная цепь без труда изгибается вместе с белком.

Рибосома состоит из аминокислотного и пептидного участков. Они расположены на контактирующих поверхностях.

Рибосомы свободно передвигаются нужных местах. Они не очень специфичны и могут не только считывать информацию с и-РНК, но и образовывать с ними матрицу.

Транспортная рибонуклеиновая кислота

т-РНК наиболее изучены. Они составляют десять процентов клеточной рибонуклеиновой кислоты. Эти виды РНК связываются с аминокислотами благодаря специальному ферменту и доставляются на рибосомы. При этом аминокислоты переносятся транспортными молекулами. Однако бывает, что аминокислоту кодируют разные кодоны. Тогда переносить их будут несколько транспортных РНК.

Она сворачивается в клубочек, когда неактивна, а функционируя, имеет вид клеверного листа.

В ней различаются следующие участки:

акцепторный стебель, имеющий последовательность нуклеотидов АЦЦ;
участок, служащий для присоединения к рибосоме;
антикодон, кодирующий аминокислоту, которая присоединена к этой т-РНК.

Минорный вид рибонуклеиновой кислоты

Недавно виды РНК пополнились новым классом, так называемыми малыми РНК. Они, скорее всего, являются универсальными регуляторами, которые включают или выключают гены в эмбриональном развитии, а также контролируют процессы внутри клеток.

Рибозимы также недавно выявлены, они активно принимают участие, когда кислота РНК ферментируется, являясь при этом катализатором.

Вирусные виды кислот

Вирус способен содержать либо рибонуклеиновую кислоту, либо дезоксирибонуклеиновую. Поэтому с соответствующими молекулами они называются РНК-содержащими. При попадании в клетку такого вируса происходит обратная транскрипция — на базе рибонуклеиновой кислоты появляются новые ДНК, которые встраиваются в клетки, обеспечивая существование и размножение вируса. В другом случае происходит образование комплиментарной на поступившей РНК. Вирусы белков, жизнедеятельность и размножение идет без ДНК, а лишь на основе информации, содержащейся в РНК вируса.

Репликация

В целях улучшения общего понимания необходимо рассмотреть процесс репликации, в результате которого появляются две идентичные молекулы нуклеиновой кислоты. Так начинается деление клетки.

В ней участвуют ДНК-полимеразы, ДНК-зависимые, РНК-полимеразы и ДНК-лигазы.

Процесс репликации состоит из следующих этапов:

деспирализация — происходит последовательное раскручивание материнской ДНК, захватывающей всю молекулу;
разрыв водородных связей, при котором цепи расходятся, и появляется репликативная вилка;
подстройка дНТФ к освободившимся основаниям материнских цепей;
отщепление пирофосфатов от дНТФ молекул и образование фосфорнодиэфирных связей за счет выделяющейся энергии;
респирализация.

После образования дочерней молекулы делится ядро, цитоплазма и остальное. Таким образом, образуются две дочерние клетки, полностью получившие всю генетическую информацию.

Кроме этого, кодируется первичная структура белков, которые в клетке синтезируются. ДНК в этом процессе принимает косвенное участие, а не прямое, заключающееся в том, что именно на ДНК происходит синтез, участвующих в образовании белков, РНК. Этот процесс получил название транскрипции.

Транскрипция

Синтез всех молекул происходит во время транскрипции, то есть переписывании генетической информации с определенного оперона ДНК. Процесс в некоторых моментах похож на репликацию, а в других существенно отличается от нее.

Сходствами являются следующие части:

начало идет с деспирализации ДНК;
происходит разрыв водородных связей между основаниями цепей;
к ним комплементарно подстраиваются НТФ;
происходит образование водородных связей.

Отличия от репликации:

при транскрипции расплетается лишь участок ДНК, соответствующий транскриптону, в то время как при репликации расплетению подвергается вся молекула;
при транскрипции подстраивающиеся НТФ содержат рибозу, и вместо тимина урацил;
информация списывается лишь с определенного участка;
после образования молекулы водородные связи и синтезированная цепь разрываются, а цепь соскальзывает с ДНК.

Для нормального функционирования первичная структура РНК должна состоять только из списанных с экзонов ДНК-участков.

У только что образованных РНК начинается процесс созревания. Молчащие участки вырезаются, а информативные сшиваются, образуя полинуклеотидную цепь. Далее, каждый вид имеет присущие только ему превращения.

В и-РНК происходит присоединение к начальному концу. К конечному участку присоединяется полиаденилат.

В т-РНК модифицируются основания, образуя минорные виды.

У р-РНК также метилируются отдельные основания.

Защищают от разрушения и улучшают транспортировку в цитоплазму белки. РНК в зрелом состоянии с ними соединяются.

Значение дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты имеют огромное значение в жизнедеятельности организмов. В них хранится, переносится в цитоплазму и передается по наследству дочерним клеткам информация о белках, синтезирующихся в каждой клетке. Они присутствуют во всех живых организмах, стабильность этих кислот играет важнейшую роль для нормального функционирования как клеток, так и всего организма. Любые изменения в их строении приведут к клеточным изменениям.

Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трёх видов рибонуклеиновых кислот (РНК): информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНк и транспортной тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеет значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырёх азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин, урацил. Азотистое основание – урацил - комплементарно аденину.

Процесс биосинтеза включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.

Первый этап называется транскрипцией. Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определённого гена молекулы ДНК синтезируется мРНк. В синтезе участвует комплекс ферментов, главным из которых является РНК-полимераза.

Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК- полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них идёт синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементраности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5’-конца к 3’-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3’-концом. Такую цепь называют кодогенной.

Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК.

Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет точное постепенное переписывании информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется как от матрицы ДНК, так и вновь синтезированной мРНК. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции – транскриптон.

Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Например, в одном гене –участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывароточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от 200 до 1000 пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому пор-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. Созревание, или процессинг, мРНК предполагает модифицирование первичного транскрипта и удаление из него некодирующих интронных участков с последующим соединением кодирующих последовательностей – экзонов. В ходе процессинга из про-мРНК специальными ферментами «вырезаются» интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.

Значение и функции интронов до сих пор ещё не совсем выяснены, но установлено, что если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем – до 5600, 4850, 3800, 3400 и т.д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипетид.

Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участи тРНК.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 75-95 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую лист клевера. В ней выделяют четыре части, которые имеют особо важное значение. Акцепторный «стебель» образуется путём комплементарного соединения двух концевых частей тРНК. Он состоит из 7 пар оснований. 3’-конец это стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН группой – акцепторный конец. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей – антикодоновая – состоит из 5 пар и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон – это 3 нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.

Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания - дигидроуридин (D-петля) и триплет Т ᴪС, где ᴪ - псевдоуридин (Т ᴪС-петля). Между антикодоновой и Т ᴪС-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.

Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует её активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.

Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30*30*20 нм, у эукариот – 40*40*20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерий кишечной палочки рибосома имеет величину 70S и состоит из 2 субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64% рибосомальной РНК и 36% белка.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – АУГ -. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, её антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединённых в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией, её рост – элогацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов – терминаторов – УАА -, - УАГ – или – УГА -. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.

Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в 2-3 раза быстрее.

Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК.

Биосинтез белка (трансляция) – важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Иными словами, трансляция – это перевод четырех буквенного (по числу нуклеотидов) «языка» нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный (по числу протеиногенных аминокислот) «язык» белков. Перевод осуществялется в соответствии с правилами генетического кода.

Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М. Ниренберга и Дж. Маттеи, а затем С. Очоа и Г. Кораны, начатые ими в 1961г. в США. Они разработали метод и экспериментально установили последовательность нуклеотидов в кодонах мРНК, контролирующих местоположение данной аминокислоты в полипептидной цепи. В бесклеточную среду, содержащую все аминокислоты, рибосомы, тРНК, АТФ и ферменты, М. Ниренберг и Дж. Маттеи вводили искусственно синтезированный биополимер типа мРНК, представляющий собой цепочку одинаковых нуклеотидов – УУУ –УУУ –УУУ – УУУ - и т.д. биополимер кодировал синтез полипептидной цепи, содержащей только одну аминокислоту – фенилаланин; такая цепь называется полифенилаланином. Если мРНК состояла из кодонов, содержащих нуклеотиды с азотистым основанием цитозин – ЦЦЦ – ЦЦЦ – ЦЦЦ – ЦЦЦ - , то синтезировась полипептидная цепь, содержащая аминокислоту пролин, - полипролин. Искусственные биополимеры мРНК, содержащие кодоны – АГУ – АГУ – АГУ – АГУ - , синтезировали полипептидную цепь из аминокислоты серин – полисерин и т.д.

Обратная транскрипция.

Обратная транскрипция - это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.

Обратная транскриптаза (ревертаза или РНК-зависимая ДНК-полимераза) - фермент, катализирующий синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией.Обратная транскрипция необходима, в частности, для осуществления жизненного цикла ретровирусов, например, вирусов иммунодефицита человека и T-клеточной лимфомы человека типов 1 и 2. После попадания вирусной РНК в клетку обратная транскриптаза, содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь.ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.

Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам.В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5"-конце имеется Сap, на 3"-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой.

Геном ретровируса содержит 4 гена:gag-белок нуклеоида,pol-обратная транскриптаза,env-белок капсида (оболочки),онкоген.str5 = str3-короткий концевой повтор;U5, U3-уникальные последовательности,PB (primer binding site) - участок связывания затравки.На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК.Синтезируется небольшой кусок ДНК.

Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3"-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК.

Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная.

Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам.

Некоторые вирусы (такие как ВИЧ, вызывающий СПИД), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединено с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированый фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы

В 1975 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга открыли обратную транскрипцию. Оказалось, что существует фермент ревертаза, который синтезирует ДНК на матрице РНК. Они за это открытие получили Нобелевскую премию.

Еще одно открытие, касающееся нашей темы (и тоже удостоенное Нобелевской премии), было сделано в 1989 году Сидней Олтменом и Томасом Чеком. Оказалось, что РНК может выполнять ферментативную функцию. Олтмен и Чек установили, что молекула РНК сама способна «откусить» от себя кусочек, и для этого ей не нужны никакие белки.. Потом были найдены другие, более сложные формы каталитической активности РНК. РНК-ферменты были названы рибозимами (по аналогии с белковыми ферментами, энзимами). Надо отметить, что ДНК также может работать как дезоксирибозим, но таких экспериментов гораздо меньше, чем экспериментов с рибозимами.

Остановимся еще раз на взаимодействии белков и РНК, в частности, об обеспечении происходящих в клетке процессов.

Надо сказать, что РНК работают несколько медленнее белков, а в некоторых ферментах РНК выполняют основную работу, а белки ей помогают, то есть без белков она выполняет свою работу гораздо хуже, но тем не менее может работать и без белков. Когда были открыты рибозимы, ученые – биологи стали ставить РНК в центр размышлений о происхождении жизни и о ранних этапах эволюции жизни. Во-первых, РНК – нуклеиновая кислота, которая может образовывать комплементарные связи, то есть ее можно реплицировать. Есть вирусы, содержащие РНК, которая реплицируется, у этих вирусов есть специальный фермент РНК-репликазы. То есть РНК может выполнять функцию репликации, ферментативную также может выполнять, то есть она может работать как РНК-геном и как РНК-фермент.

Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. Сейчас это считается во многих учебниках общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту способность?

Гипотеза РНК-мира не говорит о самом начале возникновения живых молекул на Земле, она говорит о следующем этапе эволюции, когда биомолекулы существуют, существуют какие-то процессы, но мир еще не такой, как сейчас, к которому мы привыкли. ДНК в том мире еще нет, белков, видимо, тоже нет, хотя аминокислоты и олигопептиды уже есть, нет процесса трансляции, зато есть процесс транскрипции, только РНК не на ДНК синтезируется, а на РНК. Есть РНК-геном, на котором синтезируется рабочая молекула РНК-фермента. Некоторые авторы, пытаясь реконструировать особенности этого мира предполагают, что тРНК – это реликт РНК-мира, и что РНК-геном был похож на тРНК. Молекулы тРНК участвуют не только в биосинтезе белков в качестве переносчиков аминокислот, но участвуют и в других процессах, в том числе и регуляторных. Предполагают, что три нуклеотида, которые располагаются в антикодоне, были меткой для генома, а в рабочей молекуле РНК этих нуклеотидов не было. Рабочие копии молекул РНК могли разрушаться во время работы, и их не надо было использовать для репликации. РНК-геном с меткой являлся матрицей для синтеза множества рабочих молекул, а когда надо реплицировать РНК, то по этой метке узнают, какую именно молекулу надо реплицировать, образуется копия вместе с меткой и уже с этой метки образуется новая геномная РНК. Подчеркнем, что это только гипотеза и доказать пока что ее нельзя, хотя есть некоторые указания на то, что такие процессы могли идти.

Следующий появившийся процесс – трансляция. На РНК начали синтезироваться белки и есть множество гипотез, как и почему это произошло и почему это было выгодно. Считают, что последней появилась ДНК. Так как РНК менее стабильна, ДНК стала выполнять функции генома, а РНК сохранила только часть функций, которые имела в РНК-мире. ДНК-копии молекул РНК могли возникнуть в процессе обратной транскрипции. Но для того, чтобы считать информацию с ДНК, должен был появиться процесс транскрипции. Возможно, сначала для репликации ДНК требовалось перевести ее в РНК-овую копию, а потом путем обратной транскрипции синтезировать новую ДНК. Но на каком-то этапе должна была появиться репликация ДНК без РНК-посредника. Правда, совесем без РНК до сих пор обойтись не удается – напомню, что ДНК-полимеразе для инициации синтеза ДНК требуется РНК-затравка.

Предполагаемый порядок появления функций живого такой: каталитические функции рибозимов и репликация РНК, затем добавляется трансляция, затем добавляется обратная транскрипция и транскрипция РНК на ДНК, после этого ДНК-репликация. Позже всего возникла компактизация ДНК (напомню, мы говорили на одной из лекций о белках-гистонах и нуклеосомах, которые выполняют обеспечивают компактизацию в эукариотической клетке). Компактизация ДНК позволила увеличить размер генома.

Интересно заметить, что, так как во всех ныне живущих организмах от бактерий, вирусов и до человека используется один генетический код и основные метаболические процессы сходны. Считают, что все ныне живущие организмы произошли от одного общего предка. Общим предком считается коллекция клеток и субклеточных структур. Точнее было бы сказать, что общий предок представлял коллекцию метаболических процессов и катализаторов, их регулирующих.

Этот общий предок, имевший все основные системы современных организмов (ДНК, РНК, белок), называется прогенот (прародитель). Далее пошла эволюция, которую более понятно, как изучать. На счет того, что было до этого, можно строить только гипотезы, но гипотезы эти должны быть обоснованы. Например, есть работы, в которых пытаются реконструировать метаболизм РНК-мира. Как это делают? В начале изучают метаболические процессы современной клетки и пытаются в них найти реликты РНК-мира. То есть если представить, что существовал РНК-мир, то современный метаболизм был «написан» поверх того, который существовал тогда. Например, мы знаем, что АТФ работает как донор фосфора, но донором фосфора могут быть и другие молекулы. Зачем же тогда сохранять молекулу, содержащую рибонуклеиновую часть? Предполагают, что это как раз реликт РНК-мира. Не только АТФ имеет функции, параллельные с другими веществами, но и множество рибонуклеиновых ко-факторов, то есть соединений, участвующих в ферментативных реакциях, служащих посредниками, "помощниками" в работе ферментов. Например НАДФ – никотинамид динуклеотидфосфат и др. Если какие-то процессы идут с участием ко-факторов, в состав которых входит кусочек РНК, и такие же процессы могут идти в других организмах или в других частях клетки без участия этого рибо-кусочка, то есть есть другой донор фосфорной группы или донор метильной группы, то предполагают, что там, где ко-фактор с РНК-составляющей есть реликт РНК-мира. И, проделав такой анализ, нашли процессы, которые могли быть представлены в РНК-мире. Интересна такая особенность, что синтез жирных кислот, предположительно, не был представлен в списке таких процессов, ведь для этого нужны обязательные белковые компоненты, которых тогда не было.

Интересен вопрос, занимался ли рибо-организм кислородным фотосинтезом? Ведь кислород появился в атмосфере 2 млрд. лет назад, произошло изменение бескислородной атмосферы на кислородную. Если реконструкция покажет, что в рибо-организме мог идти кислородный фотосинтез, то это означало бы, что рибо-организмы жили 2-3 млрд лет назад, а в это время уже есть вполне заметные следы прокариотических клеточных структур в осадочных породах, и тогда можно предположить что их оставили не ДНК-овые организмы, а РНК-овые.

Мы говорили об этапах развития жизни на земле, говорили, что сначала появились прокариоты, затем эукариоты, многоклеточные, затем социальные организмы, затем человеческое общество. Иногда задают вопрос: а почему бактерии еще существуют? Почему более совершенные организмы (эукариоты) не вытеснили прокариот. На самом деле эукариоты не могут жить без прокариот, ведь эукариоты возникли на Земле, где уже жили бактерии, они встроены в эту систему. Эукариоты едят бактерий, потребляют то, что сделали бактерии, они приспособлены именно к жизни, которую им создали бактерии. Если прокариот убрать, то рухнет фундамент жизни на Земле. Каждый новый, более сложный интегративный уровень жизни возникал на основе уже сложившейся предшествующей системы, приспосабливался к ней, и без нее существовать уже не мог.

Разнообразие бактерий велико, они используют очень разные химические реакции как источники энергии. По существу в современной биосфере все геохимические циклы контролируются в основном бактериями. Сейчас они ведут некоторые ключевые реакции, например, цикл железа, цикл серы, фиксацию азота. Никто, кроме бактерий, не может из атмосферы достать азот и включить в состав собственных молекул.