Комплекс белков днк и рнк называется. Структуры, основные типы РНК, их роль в синтезе белков

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.

Тема сегодняшней лекции – синтез ДНК, РНК и белков. Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией (удвоением), синтез РНК – транскрипцией (переписывание с ДНК), синтез белка, проводимый рибосомой на матричной РНК называется трансляцией, то есть переводим с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Мы постараемся дать краткий обзор всех этих процессов, в то же время останавливаясь более подробно на молекулярных деталях, для того чтобы вы получили представление, на какую глубину этот предмет изучен.

Репликация ДНК

Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию, таким образом получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.

Здесь также указан один из параметров ДНК, это шаг спирали, на каждый полный виток приходится 10 пар оснований, заметим, что один шаг – это не между ближайшими выступами, а через один, так как у ДНК есть малая бороздка и большая. Через большую бороздку с ДНК взаимодействуют белки, которые распознают последовательность нуклеотидов. Шаг спирали равен 34 ангстрем, а диаметр двойной спирали – 20 ангстрем.

Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. Вы помните, что молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄-конец и 5΄ - конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄ , а другая – в направлении от 3΄ к 5-концу. Однако 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в "удобном" для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущая нить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней. Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой.

Если мы посмотрим в реплицирующуюся ДНК бактерии, а это можно наблюдать в электронном микроскопе, мы увидим, что у нее вначале образуется "глазок", затем он расширяется, в конце концов вся кольцевая молекула ДНК оказывается реплицированной. Процесс репликации происходит с большой точностью, но не абсолютной. Бактериальная ДНК-полимераза делает ошибки, то есть вставляет не тот нуклеотид, который был в матричной молекуле ДНК, примерно с частотой 10-6. У эукариот ферменты работают точнее, так как они более сложно устроены, уровень ошибок при репликации ДНК у человека оценивается как 10-7 – 10 -8 . Точность репликации может быть разной на разных участках геном, есть участки с повышенной частотой мутаций и есть участки более консервативные, где мутации происходят редко. И в этом следует различать два разных процесса: процесс появления мутации ДНК и процесс фиксации мутации. Ведь если мутации ведут к летальному исходу, они не проявятся в следующих поколениях, а если ошибка не смертельна, она закрепится в следующих поколениях, и мы сможем ее проявление наблюдать и изучить. Еще одной особенностью репликации ДНК является то, что ДНК-полимераза не может начать процесс синтеза сама, ей нужна «затравка». Обычно в качестве такой затравки используется фрагмент РНК. Если речь идет о геноме бактерии, то там есть специальная точка называемая origin (исток, начало) репликации, в этой точке находится последовательность, которая распознается ферментом, синтезирующим РНК. Он относится к классу РНК-полимераз, и в данном случае называется праймазой. РНК-полимеразы не нуждаются в затравках, и этот фермент синтезирует короткий фрагмент РНК – ту самую «затравку», с которой начинается синтез ДНК.

Транскрипция

Следующий процесс – транскрипция. На нем остановимся подробнее.

Транскрипция – синтез РНК на ДНК, то есть синтез комплементарной нити РНК на молекуле ДНК осуществляется ферментом РНК-полимеразой. У бактерий, например, кишечной палочки – одна РНК-полимераза, и все бактериальные ферменты очень похожи друг на друга; у высших организмов (эукариотов) – несколько ферментов, они называются РНК-полимераза I, РНК-полимераза II, РНК-полимераза III, они также имеют сходство с бактериальными ферментами, но устроены сложнее, в их состав входит больше белков. Каждый вид эукариотической РНК-полимеразы обладает своими специальными функциями, то есть транскрибирует определенный набор генов. Нить ДНК, которая служит матрицей для синтеза РНК при транскрипции называется смысловой или матричной. Вторая нить ДНК называется некодирующей (комплементарная ей РНК не кодирует белки, она "бессмысленная").

В процессе транскрипции можно выделить три этапа. Первый этап - инициация транскрипции – начало синтеза нити РНК, образуется первая связь между нуклеотидами. Затем идет наращивание нити, ее удлинение – элонгация, и, когда синтез завершен, происходит терминация, освобождение синтезированной РНК. РНК-полимераза при этом «слезает» с ДНК и готова к новому циклу транскрипции. Бактериальная РНК-полимераза изучена очень подробно. Она состоит из нескольких белковых-субъединиц: двух α-субъединиц (это маленькие субъединицы), β- и β΄-субъединиц (большие субъединицы) и ω-субъединицы. Вместе они образуют так называемый минимальный фермент, или кор-фермент. К этому кор-ферменту может присоединяться σ-субъединица. σ-субъединица необходима для начала синтеза РНК, для инициации транскрипции. После того, как инициация осуществилась, σ-субъединица отсоединяется от комплекса, и дальнейшую работу (элонгацию цепи) ведет кор-фермент. При присоединении к ДНК σ-субъединица распознает участок, на котором должна начинаться транскрипция. Он называется промотор. Промотор - это последовательность нуклеотидов, указывающих на начало синтеза РНК. Без σ-субъединицы кор-фермент промотор распознать не может. σ-субъединица вместе с кор-ферментом называется полным ферментом, или холоферментом.

Связавшись с ДНК, а именно с промотором, который распознала σ-субъединица, холофермент расплетает двунитевую спираль и начинает синтез РНК. Участок расплетенной ДНК – это точка инициации транскрипции, первый нуклеотид, к которому должен комплементарно быть присоединен рибонуклеотид. Инициируется транскрипция, σ-субъединица уходит, а кор-фермент продолжает элонгацию цепи РНК. Затем происходит терминация, кор-фермент освобождается и становится готов к новому циклу синтеза.

Как происходит элонгация транскрипции?

РНК наращивается на 3΄-конце. Присоединением каждого нуклеотида кор-фермент делает шаг по ДНК и сдвигается на один нуклеотид. Так как все в мире относительно, то можно сказать, что кор-фермент неподвижен, а сквозь него «протаскивается» ДНК. Понятно, что результат будет таким же. Но мы будем говорить о движении по молекуле ДНК. Размер белкового комплекса, составляющего кор-фермент, 150 Ǻ. Размеры РНК-полимеразы - 150×115×110Ǻ. То есть это такая наномашина. Скорость работы РНК-полимеразы – до 50 нуклеотидов в секунду. Комплекс кор-фермента с ДНК и РНК называется элонгационным комплексом. В нем находится ДНК-РНК гибрид. То есть это участок, на котором ДНК спарена с РНК, и 3΄-конец РНК открыт для дальнейшего роста. Размер этого гибрида – 9 пар оснований. Расплетенный участок ДНК занимает примерно 12 пар оснований.

РНК-полимераза связанна с ДНК перед расплетенным участком. Этот участок называется передним дуплексом ДНК, его размер – 10 пар оснований. Полимераза связана также с более длинной частью ДНК, называемой задним дуплексом ДНК. Размер матричных РНК, которые синтезируют РНК-полимеразы у бактерий, могут достигать 1000 нуклеотидов и больше. В эукариотических клетках размер синтезируемых ДНК может достигать 100000 и даже нескольких миллионов нуклеотидов. Правда, неизвестно, существуют ли они в таких размерах в клетках, или в процессе синтеза они могут успеть процессировать.

Элонгационный комплекс довольно стабилен, т.к. он должен выполнить большую работу. То есть, сам по себе он с ДНК не «свалится». Он способен перемещаться по ДНК со скоростью до 50 нуклеотидов в секунду. Этот процесс называется перемещение (или, транслокация). Взаимодействие ДНК с РНК-полимеразой (кор-ферментом) не зависит от последовательности этой ДНК, в отличие от σ-субъединицы. И кор-фермент при прохождении определенных сигналов терминации завершает синтез ДНК.

Разберем более подробно молекулярную структуру кор-фермента. Как было сказано выше, кор-фермент состоит из α- и β-субъединиц. Они соединены так, что образуют как бы «пасть» или «клешню». α-субъединицы находятся в основании этой «клешни», и выполняют структурную функцию. С ДНК и РНК они, по-видимому, не взаимодействуют. ω-субъединица – небольшой белок, который также выполняет структурную функцию. Основная часть работы приходится на долю β- и β΄-субъединиц. На рисунке β΄-субъединица показана наверху, а β-субъединица - внизу.

Внутри «пасти», которая называется главным каналом, находится активный центр фермента. Именно здесь происходит соединение нуклеотидов, образование новой связи при синтезе РНК. Главный канал в РНК-полимеразе – это то место, где во время элонгации находится ДНК. Еще в этой структуре сбоку есть так называемый вторичный канал, по которому подаются нуклеотиды для синтеза РНК.

Распределение зарядов на поверхности РНК-полимеразы обеспечивает ее функции. Распределение очень логично. Молекула нуклеиновой кислоты заряжена отрицательно. Поэтому полость главного канала, где должна удерживаться отрицательно заряженная ДНК, выложена положительными зарядами. Поверхность РНК-полимеразы выполнена отрицательно заряженными аминокислотами, чтобы ДНК к ней не прилипала.

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С ) и фосфатной (Ф ) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т ), гуанин — только с цитозином (Г-Ц ). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой "лестницы" ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).

Рис. 2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты - это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания , соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) - дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания - урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания - аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль . Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей . Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Это называется правилом комплементарности .

Правило комплементарности:

A-T G-C

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении - от 5’-конца к 3’-концу:

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК - это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез - это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ (дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5"→3" на матрице материнскойнити ДНК по направлению от ее 3"-конца к 5"-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской нити ДНК ограничиваются.

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см.

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5"→3" синтезирует праймер (РНК-затравку) - последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.

Вместо ДНК-полимеразы α к 3"-концу праймера присоединяется ДНК-полимераза ε .

6) ДНК-полимераза ε (эпсилон) как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей - РНК (т.е. праймер) и ДНК . ДНК-полимераза ε работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε , движется в том же направлении (5"→3") и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε ). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи.

В результате на матрице материнской нити "лежит" фрагмент дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки .

8) ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки , т.е. 5"-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε , и 3"-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β .

СТРОЕНИЕ РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом . Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т ) в РНК представлен урацил (U ) , который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией , то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами - РНК-полимеразами .

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК - эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ - 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

а синтезируемая с нее РНК - последовательность

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5" к 3" концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

1-е основа ние	2-е основание								3-е основа ние
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Стоп-кодон**	U G A	Стоп-кодон**	A
	U U G		U C G		U A G	Стоп-кодон**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(His/H)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

• *Триплет AUG , также кодирующий метионин, называется старт-кодоном . С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.

• **Триплеты UAA , UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.

Свойства генетического кода

1. Триплетность . Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом или кодоном.

2. Непрерывность . Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость . Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность . Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность . Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность . Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA - 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT - 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA - 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’- AUAUG CUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК - на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации ), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент» . Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид» , поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид - аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами ).

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена , кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов ). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру - нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli , чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

	Общая ДНК, п.н.	Число хромосом*	Примерное число генов
Escherichia coli (бактерия)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans (нематода)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana (растение)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster (плодовая мушка)	120 367 260		20 000
Oryza sativa (рис)	480 000 000		57 000
Mus musculus (мышь)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens (человек)	3 070 128 600		29 000

Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) - двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila , классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n ) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17 ). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а , содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.

Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность - основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности . Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции - транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор - нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область , включающая в себя промотор и оператор .

Промотор - последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор - это область, с которой могут связываться специальные белки - репрессоры , которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена - иначе говоря, уменьшать его экспрессию .

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается - и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) - изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу - оперон . Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона - регуляторы . Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор . Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции .

Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот - изображение увеличивается

Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.

Строение генов у эукариот

Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы

У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).

Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами , или встроенными последовательностями , а кодирующие сегменты — экзонами . У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.

Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки - экзоны , и нетранслируемые участки - интроны.

В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.

Рис. 16. Схема строение гена у эукариот - изображение увеличивается

С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.

После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.

Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга - изображение увеличивается

Такая организация генов позволяет, например, осуществить , когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.

Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот - изображение увеличивается

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ

Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.

Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом , а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом .

Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации передаются из поколения в поколение.

3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации не направленны.

Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий : физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации .

В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.

Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.

В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной . Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной . Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.

По эффекту выделяют мутации адаптивные , приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные , не влияющие на выживаемость, вредные , понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные , приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.

По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка , мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции , а также мутации, которые изменяют дозу гена , и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.

Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической . Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.

Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные , хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными , или точечными (точковыми) . Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены , приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции , приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции , приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.

Рис. 23. Генные (точечные) мутации

По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные , которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации , которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации , приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:

Рис. 24. Схемы мутаций

Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания , например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.

Рис. 29. Хромосома до и после дупликации

Геномные мутации

Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).

Видео по теме ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА

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