СТРОЕНИЕ ГЕНА ПРО-И ЭУКАРИОТ. ГЕНЫ

June 3, 2024
0
0
Зміст

СТРОЕНИЕ ГЕНА ПРО-И ЭУКАРИОТ. ГЕНЫ

СТРУКТУРНЫЕ, РЕГУЛЯТОРНЫЕ, ТРНК, РРНК. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКА ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ. РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА.

 

https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcREnJ1lGJpWT1NcLl0FunhJ1T0BulTUdKQeOUn_O_hMgQ8D2QTDag

ДНК

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯдетальное изучение живых клеток и их составных частей (органелл), прослеживающее роль отдельных идентифицируемых соединений в функционировании этих структур. К сфере молекулярной биологии относится исследование всех связанных с жизнью процессов, таких, как питание и выделение, дыхание, секреция, рост, репродукция, старение и смерть. Важнейшее достижение молекулярной биологии – расшифровка генетического кода и выяснение механизма использования клеткой информации, необходимой, например, для синтеза ферментов. Молекулярнобиологические исследования способствуют и более полному пониманию других процессов жизнедеятельности – фотосинтеза, клеточного дыхания и мышечной активности.

В молекулярной биологии предпочитают работать с относительно простыми системами. Областью молекулярной биологии, вызывающей большие споры и часто неприятие, является генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, суть которой в том, что в организм растения или животного встраивают чужие гены, чтобы придать ему новые свойства или же компенсировать какие-нибудь наследственные дефекты. Вплоть до начала 20 в. биологи были убеждены в том, что все живое принципиально отличается от неживого и в этом отличии есть какая-то тайна.

В настоящее время благодаря значительно возросшему объему знаний в области химии и физики живой материи стало ясно, что жизнь может быть объяснена в обычных понятиях химии и физики. Ниже кратко излагаются основные концепции современной биологии, касающиеся самого феномена жизни (Гуттман Б. та ін., 2004).

Генетические механизмы и эволюция. Генетическая теория гласит, что признаки особей каждого поколения передаются следующему поколению через единицы наследственности, называемые генами. Крупные сложные молекулы ДНК состоят из четырех типов субъединиц, называемых нуклеотидами, и имеют структуру двойной спирали. Информация, содержащаяся в каждом гене, закодирована особым порядком расположения этих субъединиц. Поскольку каждый ген состоит примерно из 10 000 нуклеотидов, выстроенных в определенной последовательности, существует великое множество комбинаций нуклеотидов, а соответственно и множество различных последовательностей, являющихся единицами генетической информации.  Определение последовательности нуклеотидов, образующих определенный ген, стало теперь не только возможным, но даже довольно обычным делом. Более того, ген можно синтезировать, а затем клонировать, получив таким образом миллионы копий. Если какое-то заболевание человека вызвано мутацией гена, который в результате не функционирует надлежащим образом, в клетку может быть введен нормальный синтезированный ген, и он будет выполнять необходимую функцию. Эта процедура называется генной терапией. Грандиозный проект «Геном человека» призван выяснить нуклеотидные последовательности, образующие все гены человеческого генома. Одно из важнейших обобщений современной биологии, формулируемое иногда как правило «один ген – один фермент – одна метаболическая реакция», было выдвинуто в 1941 американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тейтемом. Согласно этой гипотезе, любая биохимическая реакция – как в развивающемся, так и в зрелом организме – контролируется определенным ферментом, а фермент этот в свою очередь контролируется одним геном. Информация, заложенная в каждом гене, передается от одного поколения другому специальным генетическим кодом, который определяется линейной последовательностью нуклеотидов.

БИДЛ, ДЖОРДЖ УЭЛЛС (Beadle, George Wells) (1903–1989), американский генетик, удостоенный в 1958 Нобелевской премии по физиологии и медицине (совместно с Э.Тейтемом и Дж.Ледербергом) за изучение основ наследственности у микроорганизмов. Родился 22 октября 1903 в Уаху (шт. Небраска). Окончил университет штата Небраска (1926) и Корнеллский университет (1931). В 1931–1936 преподавал биологию в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене и занимался исследовательской работой в лаборатории Т.Моргана. В 1935 преподавал в Парижском университете, в 1936–1937 – в Гарвардском университете. В 1937–1946 – профессор Станфордского университета, в 1946–1961 – Калифорнийского технологического института, в 1961–1968 – президент Чикагского университета. Основные работы Бидла посвящены цитологии и генетике. Используя в качестве модельных систем кукурузу, плодовую мушку дрозофилу и плесневый гриб нейроспору, Бидл изучал природу и функции генов. В 1944 совместно с Э.Тейтемом выдвинул концепцию «один ген – один фермент», в соответствии с которой данный ген детерминирует синтез одного специфического фермента. К такому выводу ученые пришли, исследуя мутантные формы нейроспоры, утратившие способность синтезировать витамины группы B. Им удалось доказать, что этот дефект имеет генетическую природу. Умер Бидл в Помоне (шт. Калифорния) 9 июня 1989.

 Archivio I.G.D.A.     ДЖОРДЖ УЭЛЛС БИДЛ

ТЕЙТЕМ, ЭДУАРД ЛОУРИ (Tatum, Edward Lawrie) (1909–1975), американский генетик, получивший в 1958 Нобелевскую премию по физиологии и медицине (совместно с Дж.Бидлом и Дж.Ледербергом) за исследование основ наследственности у микроорганизмов. Родился 14 декабря 1909 в Боулдере (шт. Колорадо). Окончил Висконсинский университет (1931), в 1935 получил степень доктора философии. В 1937–1945 и 1948–1957 работал в Станфордском университете (с 1948 – профессор этого университета), в 1945–1948 – в Йельском университете. С 1957 – профессор Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке.

Основные работы Тейтема посвящены молекулярной генетике. В 1941 совместно с Дж.Билдом Тейтем обнаружил ауксотрофные мутанты – микроорганизмы, утратившие в результате мутации способность синтезировать определенные вещества. Эти исследования, впервые выполненные на плесневом грибе нейроспоре, а затем на кишечной палочке E. coli, привели к теории, выражаемой формулой «один ген – один фермент». Согласно этой теории, синтез каждого фермента детерминируется специфическим геном. В 1946 Тейтем совместно с Дж.Ледербергом выполнил исследования, результатом которых стало открытие конъюгации у бактерий. Автор работ по цитоплазматической наследственности, метаболизму нуклеиновых кислот, биосинтезу антибиотиков. Умер Тейтем в Нью-Йорке 5 ноября 1975.

При образовании новых клеток каждый ген реплицируется, и в процессе деления каждая из дочерних клеток получает точную копию всего кода. В каждом поколении клеток происходит транскрипция генетического кода, что позволяет использовать наследственную информацию для регуляции синтеза специфических ферментов и других белков, существующих в клетках. В 1953 американский биолог Дж.Уотсон и британский биохимик Ф.Крик сформулировали теорию, объясняющую, каким образом структура молекулы ДНК обеспечивает основные свойства генов – способность к репликации, к передаче информации и мутированию. На основании этой теории оказалось возможным сделать определенные предсказания о генетической регуляции синтеза белка и подтвердить их экспериментально. Развитие с середины 1970-х годов генной инженерии, т.е. технологии получения рекомбинантных ДНК, значительно изменило характер исследований, проводимых в области генетики, биологии развития и эволюции. Разработка методов клонирования ДНК и проведения полимеразной цепной реакции позволяют получать в достаточном количестве необходимый генетический материал, включая рекомбинантные (гибридные) ДНК. Эти методы используются для выяснения тонкой структуры генетического аппарата и отношений между генами и их специфическими продуктами – полипептидами. Вводя в клетки рекомбинантную ДНК, удалось получить штаммы бактерий, способные синтезировать важные для медицины белки, например человеческий инсулин, гормон роста человека и многие другие соединения. Значительный прогресс был достигнут в области изучения генетики человека. В частности, проведены исследования таких наследственных болезней, как серповидноклеточная анемия и муковисцидоз. Изучение раковых клеток привело к открытию онкогенов, превращающих нормальные клетки в злокачественные. Исследования, проводимые на вирусах, бактериях, дрожжах, плодовых мушках и мышах, позволили получить обширную информацию, касающуюся молекулярных механизмов наследственности. Теперь гены одних организмов могут быть перенесены в клетки других высокоразвитых организмов, например мышей, которые после такой процедуры называются трансгенными. Чтобы осуществить операцию по внедрению чужеродных генов в генетический аппарат млекопитающих, разработан целый ряд специальных методов (Слюсарев О.О. та ін., 1987).

Одно из наиболее удивительных открытий в генетике – это обнаружение двух типов входящих в состав генов полинуклеотидов: интронов и экзонов. Генетическая информация кодируется и передается только экзонами, функции же интронов до конца не выяснены. В 1978 стал преподавателем в университете Колорадо в Боулдере. Здесь Чек сделал свое главное открытие. Был первым, кто сообщил о каталитической активности РНК. Это произошло в 1982. Годом позже С.Олтмен пришел к такому же заключению. Сложившейся центральной догмой молекулярной биологии была взаимосвязь: ДНК → РНК → фермент. Ранее считалось, что и ДНК, и РНК служат только носителями генетической информации, в то время как белки в форме ферментов катализируют химические процессы жизни. Чек и независимо от него C.Олтмен опровергли эту догму.

Олтмен, сидни (Altman, Sidney) (р. 1939) (США). Нобелевская премия по химии 1989 года (совместно с Т.Чеком). Родился в Монреале в 1939, второй сын в семье бедных иммигранов. Мать работала на текстильной фабрике, отец – в бакалейном магазине. Сидни, принадлежащему к первому поколению детей иммигрантов, рожденных в Канаде, было ясно, что путь к успеху лежит через образование. Два основных события вызвали у него появление раннего интереса к науке: создание атомной бомбы и чтение книги о Периодической таблице химических элементов. После окончания школы Олтмен начал изучать физику в Массачусетском технологическом институте, и, конечно, он хотел стать специалистом по ядерной физике. Ли Гродзинс был руководителем его диссертации в этой области. В последнем семестре Сидни прослушал краткий курс по молекулярной биологии, что подготовило его к последующему контакту с этой дисциплиной. После тщетных поисков научной работы в Колумбийском университете, а затем в Колорадо Олтмен встретился с известным физиком российского происхождения Георгием Гамовым (1904–1968), который первым сделал расчет генетического кода. Физик познакомил его с Леонардом Лерманом, занимавшимуся в Медицинском центре университета Колорадо интеркаляцией (встраиванием) молекул акридинов в молекулу ДНК. Так состоялось его посвящение в биохимики. После работы по изучению влияния акридинов на репликацию T4 ДНК бактериофага он начал трудиться в лаборатории Гарвардского университета, занимаясь изучением ДНК-эндонуклеазы, которая вовлекается в процесс репликации и рекомбинации T4 ДНК. Спустя два года он стал членом группы, возглавляемой С.Бренером (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 2002) и Ф.Криком(Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1962) в Медицинском исследовательском совете лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Великобритания). Это место показалось Олтмену научным раем. Здесь он начал работу, которая и привела его к открытию энзима рибонуклеазы Р и ферментативных способностей РНК-субъединицы этого энзима. Сложившейся центральной догмой молекулярной биологии являлась взаимосвязь: ДНК ® РНК ® фермент. Ранее считалось, что и ДНК, и РНК лишь носители генетической информации, в то время как белки в форме ферментов катализируют химические процессы жизни. Олтмен и независимо от него Т.Чек стали ниспровергателями этой догмы, причем первым сообщил об этом Чек в 1982, а годом позже Олтмен подтвердил его наблюдение. В 1970–1980-х Олтмен и Т.Чек изучали, каким образом генетический код переносится от ДНК к РНК. Им было известно, что часть генетической информации не является обязательной и от нее надо избавиться в молекуле РНК, прежде чем та начнет использоваться клеткой. В поисках решения этой задачи Олтмен и Чек открыли, что ферментативную функцию берет на себя не белок, а каталитическая РНК. Олтмен изучал фермент рибонуклеазу Р, которая найдена, к примеру, в желудочных бактериях. Рибонуклеаза Р активирует определенный вид молекул РНК, называемых транспортной РНК (тРНК), удалением из нее некой части, которая не требуется для выполнения ею функции. Этот фермент обладает неожиданными свойствами, присущими не только молекуле белка, но также и характерными для молекулы РНК. С удивлением Олтмен обнаружил, что молекула РНК здесь выступила в роли биокатализатора. Каталитическая РНК может создавать новую РНК. Работы Олтмена и Чека показали, что каталитическая активность молекул РНК чувствительнейшим образом зависит от их трехмерной структуры, как это имеет место и в случае белковых ферментов. Открытие каталитической РНК, которую называют также рибозимом, важно как для науки, так и в производстве. Каталитическая РНК, возможно, выполняет не только функцию разрезания и воссоединения РНК, но и играет главную роль во многих других биологических процессах. Химические процессы жизни часто требуют интимного взаимодействия белок – РНК. Может быть, РНК, а не белковые ферменты играют в них ведущую роль.

Каталитическая РНК – новое мощное средство генной инженерии. Прослеживаются очевидные применения каталитической РНК в биотехнологии и медицине. Например, растения, приготовленные методом генной инженерии, можно сделать устойчивыми к воздействию вирусов, если создать рибозим, который будет разрывать и разрушать генетический материал вируса. То же представляется совершенно очевидным и при конструировании лекарств против вирусных инфекций.  В 1970–1980-х годах Чек и Олтмен изучали, каким образом генетический код переносится от ДНК к РНК. Им было известно, что часть генетической информации не является обязательной и от нее надо избавиться в молекуле РНК, прежде чем та начнет использоваться клеткой. В поисках решения этой задачи Олтмен и Чек открыли, что ферментативную функцию берет на себя не белок, а каталитическая РНК. Чек изучал молекулу РНК примитивного одноклеточного организма Tetrahymena. Он нашел, что ненужную часть можно удалить из средней части молекулы этой РНК, причем после удаления этого фрагмента оставшиеся отрезки соединяются вместе. Сенсационным было, что молекула РНК сама по себе катализирует данную реакцию. Удаленный фрагмент РНК сам себя модифицирует таким образом, что оказывается способным функционировать, помимо прочего, в роли фермента, синтезирующего РНК. Каталитическая РНК может создавать новую РНК. Работы Олтмена и Чека показали, что каталитическая активность молекул РНК зависит от их трехмерной структуры, как это имеет место и в случае белковых ферментов. Открытие каталитической РНК, которую называют также рибозимом, важно как для науки, так и для производства. Каталитическая РНК, возможно, выполняет не только функцию разрезания и воссоединения РНК, но и играет главную роль во многих других биологических процессах. Химические процессы жизни часто требуют взаимодействия белок – РНК. Может быть, РНК, а не белковые ферменты играют в них ведущую роль. Каталитическая РНК – новое мощное средство генной инженерии. Прослеживаются очевидные применения каталитической РНК в биотехнологии и медицине. Например, растения, приготовленные методом генной инженерии, можно сделать устойчивыми к воздействию вирусов, если создать рибозим, который будет разрывать и разрушать генетический материал вируса. То же представляется совершенно очевидным и при конструировании лекарств против вирусных инфекций. Наконец, возник новый подход к истолкованию проблемы химического механизма происхождения жизни на Земле. Какая биомолекула появилась на Земле первой? Как могла возникнуть жизнь, если молекулы ДНК генетического материала могут воспроизводиться лишь с помощью белковых ферментов, в то время как сами белки могут быть построены лишь с помощью генетической информации, заключенной в ДНК? Открытие Олтмена и Чека показало, что такой молекулой могла быть и не белковая молекула, и не молекула ДНК. Молекула РНК отвечает требуемым параметрам – она одновременно может служить и генетическим материалом, и обладать свойствами фермента. В 1989 Чеку и С.Олтмену была присуждена Нобелевская премия «за открытие каталитических свойств РНК». Свойством воспроизведения себе подобных обладают нуклеино­вые кислоты и даже отдельные фрагменты молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая) – обнаружена в 1868 г. в клеточных яд­рах – являются веществом наследственности.

Френсис Харри Комптон Крик — английский специалист в области молекулярной биологии и генетик. Нобелевская премия по физиологии и медицине (1962 год, совместно сДжеймсом Дьюи УотсономДжеймс Дьюи Уотсон (родился 6 апреля 1928, в Чикаго) — американский биохимик, иностранный член РАН (1991; иностранный член АН СССР с 1988). В 1953 совместно с Ф. Криком создал модель пространственной структуры ДНК (двойную спираль), что позволило объяснить многие ее свойства и биологические функции. Нобелевская премия (1962, совместно с Ф. Криком и М. Уилкинсом). и Морисом УилкинсономМорис Уилкинсон (15 декабря 1916, Понгароа, Новая Зеландия – 5 октября 2004, Лондон) — английский биофизик, Нобелевская премия в области физиологии и медицины (1962), почетный член Американской академии наук и искусств, лауреат премии А. Ласкера Американской ассоциации здравоохранения (1960). Френсис Крик родился 8 июня 1916 года, Нортхепмтон, Великобритания, в семье преуспевающего обувного фабриканта. После того как семья перебралась в Лондон, обучался в школе Милл-Хилл, где проявились его способности к физике, химии и математике. В 1937 году по окончании университетского Оксфордского колледжа Крик получил степень бакалавраБакалавр (от срердне-векового латинского baccalaureus) — в большинстве стран — первая ученая степень, приобретаемая студентом после освоения программ базового высшего образования (3-5 лет обучения в вузе). В Российской Федерации с начала 90-х годов. Во Франции звание бакалавра присваивается выпускникам полной средней школы и дает право поступления в вузы. естественных наук, защитив дипломную работу — вязкость воды при высоких температурах. В 1939 году, уже во время Второй мировой войны, Френсис Крик начал работать в научно-исследовательской лаборатории Военно-морского министерства, занимаясь глубоководными минами. По окончании войны, продолжая работу в этом ведомстве, познакомился с книгой видного австрийского ученого Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки» (1944), в которой пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснялись с позиции физики и химии. Идеи, изложенные в книге, настолько повлияли на Крика, что он, намереваясь заняться физикой частиц, переключился на биологию. Получив стипендию Совета по медицинским исследованиям, Крик в 1947 году начал работать в Стрэнджвейской лаборатории в Кембридже, где он изучал биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракцииДифракция рентгеновских лучей — рассеяние рентгеновских лучей кристаллическими объектами, при котором в определенных направлениях появляются дифрагированные пучки — результат интерференции вторичного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии первичного излучения с электронными оболочками атомов. Направление и интенсивность дифрагированных пучков связаны с атомной структурой объекта, используемые для определения пространственной структуры молекул. Его познания в биологии значительно расширились после перехода в 1949 в знаменитую Кавендишскую лабораторию в Кембридже – один из мировых центров молекулярной биологии, где под руководством видного биохимика Макса Фердинанда Перуца Фрэнсис Крик исследовал молекулярную структуру белков. Он пытался найти химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). В этот же период одновременно с Криком в той же области работали и другие ученые. В 1950 американский биолог Эрвин ЧаргаффЭрвин Чаргафф (Chargaff) — (11 августа 1905, г. Черновцы, Австро-Венгрия (ныне Украина) — 20 июня 2002, Нью-Йорк), американский биохимик. По происхождению австриец, с 1928 в США. Труды по химии нуклеиновых кислот. В 1950 установил закономерности, определяющие соотношения пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах ДНК и РНК, синтезируемых живыми организмами…(«правила Чаргаффа»). Показал видовую специфичность ДНК. из Колумбийского университета пришел к выводу, что ДНК включает равные количества четырех азотистых оснований — аденина, тимина, гуанина и цитозина.Английские коллеги Крика М. Уилкинс и Р. Франклин из Кингс-колледжа Лондонского университета провели рентгеновские дифракционные исследования молекул ДНК. В 1951 году Ф. Крик начал совместные исследования с молодым американским биологом Дж. Уотсоном в Кавендишской лаборатории. Основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и Уотсон, разрабатывая в течение двух лет пространственную структуру молекулы ДНК, сконструировали ее модель из шариков, кусков проволоки и картона. Согласно их модели ДНКДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу. ДНК является основной составляющей хромосом всех живых организмов; ею представлены гены всех про- и эукариот, а также геномы многих вирусов. В нуклеотидной последовательности ДНК записана (кодирована) генетическая информация о всех признаках вида и особенностях особи (индивидуума) — ее генотип. ДНК регулирует биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение всей его жизни. представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей моносахарида и фосфата, соединенных парами оснований внутри спирали, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином, а основания друг с другом – водородными связями. Модель Уотсона–Крика позволила другим исследователям отчетливо представить процесс синтеза ДНК. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица или образец для новой молекулы. В 1953 ujle создание модели ДНК было ими завершено, и Фрэнсис Крик был удостоен степени доктора философии в Кембридже, защитив диссертацию, посвященную рентгеновскому дифракционному анализу структуры белка. В 1954 году он занимался расшифровкой генетического кода. Будучи изначально теоретиком, Крик начал совместно с С. Бреннером изучение генетических мутаций в бактериофагах — вирусах, инфицирующих бактериальные клетки. К 1961 году были открыты три типа рибонуклеиновой кислоты (РНК): информационная, рибосомальная и транспортная. Крик и его коллеги предложили способ считывания генетического кода. В соответствии с теорией Крика информационная РНК получает генетическую информацию с ДНК в ядре клетки и переносит ее к рибосомам — местам синтеза белков в цитоплазме клетки. Транспортная РНК переносит в рибосомы аминокислоты. Информационная и рибосомная РНК, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают соединение аминокислот для образования молекул белка в правильной последовательности. Генетический кодГенетический код — свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Для краткости каждый нуклеотид обозначается русской или латинской заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: А (A) — аденин, Г (G) — гуанин, Ц (C) — цитозин, в ДНК Т (T) — тимин, в мРНК У (U) — урацил. составляют триплеты азотистых оснований ДНК и РНК для каждой из 20 аминокислот. Гены состоят из многочисленных основных триплетов, которые Крик назвал кодонами, они одинаковы у различных видов. В 1962 году Крик, Уилкинс и Уотсон были удостоены Нобелевской премии «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах». В год получения Нобелевской премии Крик стал заведующим биологической лаборатории Кембриджского университета и иностранным членом Совета Солковского института в Сан-Диего (штат Калифорния). В 1977 году, перебравшись в Сан-Диего, Фрэнсис Крик обратился к исследования в области нейробиологии, в частности, механизмов зрения и сновидений. В своей книге «Жизнь как она есть: ее происхождение и природа» (1981) ученый отмечал удивительное сходство всех форм жизни. Ссылаясь на открытия в молекулярной биологии, палеонтологии и космологии, он предположил, что жизнь на Земле могла произойти от микроорганизмов, которые были рассеяны по всему пространству с другой планеты. Эту теорию он и его коллега Л. Оргел назвали «непосредственной панспермией». Крик Френсис прожил долгую жизнь, он скончался 30 июля 2004 года, в Сан-Диего, США, в возрасте 88 лет.

В 1953 г. – Ф. Крик и Д. Уотсон построили модель ДНК, кото­рая состоит из двух полимерных цепо­чек, закрученных одна вокруг другой с образованием двойной спирали. Со­гласно этой модели каждая из цепочек молекулы ДНК состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. В свою очередь, в состав нуклеотидов входят три компонента, со­единенные прочными химическими связями:

1) азотистое основание;

2) углевод (дезоксирибоза);

3) остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания – это пурины, имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины. имеющие одно такое кольцо. Пури­ны представлены – аденином (А) и гуанином (Г), пиримидины – ти-мином (Т) и цитозином (Ц). За счет фосфорной кислоты нуклеотиды могут соединяться друг с другом за счет химической связи, образуя нуклеиновые кислоты. Модель Крика – Уотсона подтвердилась. Ин­тересно, что спираль – самая распространенная форма во Вселенной, от атомов до галактик. Не случайно , что молекулы ДНК имеют форму двойной спирали. Эта форма выгодна в тесноте микромира. У некоторых растений длина ДНК достигает 40 м и заключается в кле­точном ядре размером ~ микрон.

Функция ДНК – информационная – порядок расположения ее че­тырех нуклеотидов несет важную информацию, определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т.е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов) опреде­ляет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т.е. ДНК-носитель наследственной информации. Ген – часть ДНК (Слюсарев О.О. та ін., 1987).

РНК – рибонуклеиновая кислота – похожа на ДНК и тоже по­строена из мономерных нуклеотидов 4 типов. Только в состав РНК вместо тимидинового нуклеотида входит похожий на него – уридиловый (У) (урацил). Также в состав РНК входит сахар – рибоза. Но Равное отличие: спираль – одинарная. РНК участвуют в реализа­ции наследственной информации, хранящейся в ДНК, через синтез белка.

Так вот, можно ли считать молекулы ДНК носителями жизни? доказано, что самокопирование ДНК и реализация заключенной в ней информации происходит только при наличии ферментов, источ­ников энергии – молекул АТФ. воды и других соединений. Очевидно, что отдельные молекулы нуклеиновых кислот тоже не являются жи­выми.

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота – универсальный биоло­гический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ.

Живой организм характеризуется высшей степенью упорядоченности составляющих его ингредиентов и уникальной структурной организацией, обеспечивающей как его фенотипические признаки, так и многообразие биологических функций. В этом структурно-функциональном единстве организмов, составляющем сущность жизни, белки играют важнейшую роль, не заменяемую другими органическими соединениями.

Одной из задач современной биологии и ее новейших разделов – молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической биологии – является расшифровка механизмов синтеза молекулы белка, содержащей сотни, а иногда и тысячи остатков аминокислот. Механизм синтеза должен обладать точной кодирующей системой, которая автоматически программирует включение каждого аминокислотного остатка в определенное место полипептидной цепи. Кодирующая система определяет первичную структуру, а вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются физико-химическими свойствами и химическим строением аминокислот.

В современные представления о механизме синтеза белка большой вклад внесли советские биохимики. Так, в лаборатории А. Е. Браунштейна было впервые указано на участие АТФ в синтезе квазипептидных связей. В. Н. Ореховичем еще 50-е годы было показано, что перенос аминоцильных или пептидильных группировок на NH2группу аминокислот может осуществляться не только с амидной или пептидной, но и со сложноэфирной связи. Как будет показано ниже, именно этот механизм лежит в основе реакции транспептидирования в 50S рибосоме в стадии элонгации синтеза белка.

Значительный вклад в современные представления о месте, факторах и механизме синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, А. А. Баева, А. С. Спирина и др.

 

Биосинтез белка. Одним из цен­тральных процессов метаболизма клет­ки, связанных с потоком вещества, энергии и информации, является син­тез белка — формирование сложной молекулы белка-полимера из аминокис­лот-мономеров. Процесс этот проте­кает по схеме ДНК →РНКбелок. Информация, содержащаяся в ДНК, пе­редается синтезируемому белку через РНК. Участок ДНК, содержащий ин­формацию о структуре какого-либо одного белка, принято называть геном.

Считывание  наследственной   инфор­мации с генов регулируется белками. Гистоны не только обеспечивают струк­турную организацию хроматина, но и являются  репрессорами, так как пре­пятствуют   считыванию   генетической информации. Начало считывания гене­тической информации   связано с осво­бождением определенного  участка на цепи ДНК (гена) от   гистонов.  Этот процесс осуществляется следующим об­разом. Негистоновые хромосомные бел­ки могут узнавать определенные гены и прикрепляться к ним. В прикрепив­шихся молекулах   белка осуществля­ется  фосфорилирование и  они   приоб­ретают отрицательный заряд, благода­ря чему вступают в соединения с поло­жительно  заряженными   гистонами и сползают с нити ДНК. Освободившийся от гистонов ген дерепрессируется, и с него  начинается  считывание   наслед­ственной информации. Не­гистоновые   белки   обладают   способ­ностью   распознавать гены,    и   этим обеспечивается синтез необходимых в данный момент белков.

Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами.

Специфическим веществом клеточной стенки прокариот является муреин, однако у некоторых прокариот муреин отсутствует. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.

Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины. Основу генетического аппарата кишечной палочки составляет бактериальная хромосома, входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид по морфологии напоминает соцветие цветной капусты и занимает примерно 30% объема цитоплазмы. Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Длина бактериальной хромосомы составляет примерно 4,7 млн. нуклеотидных пар (п.н.), или ~ 1,6 мм. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК (эта точка носит название OriC). Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки, и сестринские копии распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы. Репликация ДНК идет в две стороны от точки OriC и завершается в точке TerC. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны.

Одна бактериальная хромосома содержит до 1000 известных генов.

 Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона (участка генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы) расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).

Все гены организма можно разделить на две большие группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные гены постоянно включены: они функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», или существенные гены без которых клетки не могут существовать.

http://olgabut08.narod.ru/picture/kolcdnk.gif

Строение бактерии

 

http://olgabut08.narod.ru/picture/rnkvir.gif

Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, или «гены роскоши», которые часто являются несущественными. Включение индуцибельных генов называетсяиндукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления.

Переключение генов лучше всего изучено у бактерий – одноклеточных организмов. Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки.

Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, ZYА – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)

Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).

Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать иРНК.

Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты ZYА.

Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам ZYА, необходимым для усвоения лактозы.

Для регуляции работы оперона необходимы еще два гена: ген, кодирующий белок–репрессор, и ген, кодирующий белок СYА. Белок СYА катализирует образование цАМФ из АТФ. Если в клетке имеется глюкоза, то белок СYА вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Итак, глюкоза является репрессором.

Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Итак, лактоза является индуктором.

Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок–репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.

При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок–репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.

Если же в клетке имеется только лактоза, то белок–репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок СYА катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует иРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.

Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы).

Строение и типы РНК

РНК отличается от ДНК тем, что содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Кроме того, обычное соотношение в РНК пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов указывает на отсутствие комплементарности оснований. Это свидетельствует о том, что РНК имеет одноцепочечную структуру, а не образует, как ДНК, двойную спираль. Молекулы РНК представляют собой неразветвленные цепи из нуклеотидов четырех типов (А, Г, Ц и У), соединенных 3′, 5′-фосфодиэфирными связями.

Для синтеза белка необходимы три категории молекул РНК: информационная РНК, которая передает в цитоплазму генетическую информацию от ДНК, находящейся в ядре; рибосомная РНК, составляющая значительную часть материала рибосом — цитоплазматических гранул, на которых синтезируется белок, и, наконец, транспортная РНК, которая действует как «адаптор», выстраивая аминокислоты растущей полипептидной цепи в надлежащем порядке. Информационная РНК синтезируется при участии ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которую впервые обнаружили в ядрах печеночных клеток крысы, а впоследствии нашли также у других животных, у растений и бактерий. Этот фермент действует лишь в присутствии ДНК, играющей роль матрицы, и использует в качестве субстратов трифосфаты четырех рибонуклеотидов, из которых обычно состоит РНК. В результате реакции образуются РНК и неорганический пирофосфат. Матрицами могут служить как одноцепочечные, так и нативные (двухцепочечные) молекулы ДНК, а также синтетические дезоксирибополинуклеотиды.

http://evolution.powernet.ru/library/biosynthesis/SPIR7.gif

Транспортные РНК и рибосомная РНК также синтезируются ДНК-зависимыми системами путем транскрипции комплементарных к ним последовательностей дезоксирибонуклеотидов, имеющихся в ДНК.

Строение РНК, образующейся в присутствии матриц ДНК вполне определенной структуры, в точности соответствует правилам спаривания оснований, постулированных в модели Уотсона — Крика. Матричная ДНК состоит из двух цепей и содержит две различные (комплементарные друг другу) последовательности оснований, которые могли бы служить источником совершенно разной генетической информации; однако транскрипции подвергается, видимо, только одна из этих цепей, и при этом образуется только один вид информационной РНК. Молекулярная основа этого выбора одной из двух цепей неизвестна.

http://zorinahotel.ru/vetgen/1/text.files/image042.jpg

https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR4GW8zw72PnVEohSimXsncP6lOOHxaG2M-S8fRggkYy0z7Z6sLdg

тРНК

Как показали электронно-микроскопические исследования, в большинстве клеток имеется обширная система канальцев с тонкими мембранными стенками — так называемая эндоплазматическая сеть. На поверхности мембран этой сети лежат мелкие гранулы, называемые рибосомами; иногда рибосомы свободно взвешены в цитоплазме. Рибосомы состоят примерно наполовину из белка и наполовину из РНК. После экстрагирования этой РНК фенолом оказалось, что она представлена двумя компонентами с различными молекулярными массами — около 600 000 и около 1 300 000.

Молекулы транспортных РНК значительно мельче молекул информационной и рибосомной РНК. В процессе синтеза белка каждая из них действует как специфический адаптор, присоединяясь к определенной аминокислоте и играя роль «опознавательного знака», определяющего будущее положение данной аминокислоты на матрице информационной РНК. Каждая из 20 аминокислот может соединяться с одной или несколькими специфическими видами транспортных РНК. В определенном участке молекулы транспортной РНК находится антикодон — триплет, комплементарный тому кодону информационной РНК, который определяет данную аминокислоту. Транспортные РНК отличаются также тем, что они содержат, помимо четырех обычных нуклеотидов (адениловой, гуаниловой, цитидиловой и уридиловой кислот), еще небольшие количества необычных нуклеотидов, например 6-метиламиноадениловую кислоту, диметилгуаниловую кислоту и тиминриботид.

Транспортные РНК представляют собой цепочки, состоящие примерно из 70 нуклеотидов. У всех видов транспортных РНК на 3′-конце молекулы находится одна и та же последовательность нуклеотидов — ЦЦА, к которой присоединяется аминокислота, а на другом конце (5′) нуклеотидной цепи — гуаниловая кислота. Цепь в некоторых участках сложена вдвое и образует три или более петель из неспаренных нуклеотидов; в промежутках между этими петлями находятся спаренные участки в виде двойных спиралей, стабилизированных водородными связями, соединяющими комплементарные основания. Петля, ближайшая к акцептору аминокислоты (ЦЦА), содержит 7 нуклеотидов, в том числе цитидин, псевдоуридин и тимидин, находящиеся в положениях 21, 22 и 23 от конца с триплетом ЦЦА. Триплет, комплементарный кодону (антикодон), расположен на средней петле, состоящей из 7 нуклеотидов; перед ним по ходу цепи находится уридин, а после него — аденозин или видоизмененный аденозин. Еще одно необычное основание — диметилгуанозин — расположено перед антикодоном на расстоянии 8 нуклеотидов от него у основания более крупной петли (из 8—12 нуклеотидов), поблизости от 5′-конца цепи. У всех изученных до сих пор транспортных РНК пространственная конфигурация цепи такова, что расстояние между антикодоном и аминокислотой всегда одинаково. В этих РНК триплеты антикодонов очень хорошо согласуются с предсказаниями, которые были сделаны на основе правил комплементарности и известных кодонов информационной РНК для соответствующих аминокислот.

Первой полностью проанализированной транспортной РНК была аланиновая РНК, выделенная из дрожжей. Аланиновая РНК состоит из 77 нуклеотидов, расположенных в строго определенной последовательности; из этих нуклеотидов 9 содержат необычные основания с одной или несколькими метильными группами, которые присоединяются к ним ферментативным путем уже после образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Некоторые из этих оснований неспособны к образованию обычных пар; возможно, они служат для того, чтобы препятствовать спариванию оснований в определенных частях молекулы и таким образом обнажать специфические химические группы, которые образуют вторичные связи с информационной РНК, рибосомой или, быть может, с ферментом, необходимым для присоединения определенной аминокислоты к соответствующей транспортной РНК. В настоящее время уже известна точная последовательность нуклеотидов в нескольких транспортных РНК. По существу это означает, что известна также и последовательность их в генах, на которых эти РНК синтезируются: эту последовательность можно вывести, основываясь на правилах специфического спаривания оснований, установленных Уотсоном и Криком. Ген, определяющей структуру аланиновой РНК, тоже должен состоять из 77 нуклеотидов. В 1970 году Корана синтезировал полную двухцепочечную молекулу ДНК с соответствующей последовательностью из 77 нуклеотидов, и оказалось, что она может служить матрицей для построения аланиновой транспортной РНК. Это был первый искусственно синтезированный ген.

 Транскрипция. Установлено, что РНК синтезируется в ядре клетки на одной из цепочек ДНК свободных нук­леотидов. Существовало мнение, что иРНК комплементарна строению ДНК, которая служит матрицей. Однако в настоящее время выяснилось, что комплементарной ДНК является только молекула— предшественница информа­ционной РНК (про-иРНК). Процесс переписывания информации с моле­кулы ДНК на молекулу про-иРНК на­зывается транскрипцией (лат. transcriptio — переписывание). Синтез молекул про-иРНК осуществляется под действием специального фермента — РНК-полимеразы.  Этот фермент передвигается вдоль молекулы ДНК от одного конца к другому, удерживая на себе нуклеотиды и растущую про-иРНК. Последовательность оснований в образующейся молекуле про-иРНК точно отражает порядок чередования оснований в ДНК. Однако молекула про-иРНК гораздо крупнее зрелой иРНК.

Процесс транскрипции

В процессе созревания информацион­ной РНК у бактерий происходит от­щепление концов молекул, а у эукариот и некоторых вирусов, паразити­рующих у животных, дело происходит сложней. Оказалось, что молекула про-иРНК содержит в себе ряд инертных участков (интронов). В процессе со­зревания иРНК специальные ферменты вырезают интроны и сшивают остав­шиеся участки. Поэтому последова­тельность нуклеотидов в созревшей иРНК не является полностью компле­ментарной нуклеотидам ДНК. В информационной РНК рядом могут стоять нуклеотиды, комплементарные кото­рым нуклеотиды в ДНК находятся друг от друга на значительном расстоя­нии. Процессы, связанные с созрева­нием информационной РНК, называ­ются t процессингом. Осуществляются они в ядре и во время перехода иРНК из ядра в цитоплазму (Гуттман Б. та ін., 2004)

 

Перевод информации, заключенной в полинуклеотидной последовательности мРНК, в аминокислотную последовательность белка требует определенного способа кодирования или шифрования, т.е. существования определенного закона, по которому чередование четырех нуклеотидов в мРНК задаёт специфическую последовательность аминокислот в белке.

Необходимость кодирования структуры белков в линейной последовательности нуклеотидов мРНК и ДНК продиктована тем, что в ходе трансляции:

– нет соответствия между числом мономеров в матрице мРНК и продукте – синтезируемом белке;

– отсутствует структурное сходство между мономерами РНК и белка.

Это исключает комплементарное взаимодействие между матрицей и продуктом – принцип, по которому осуществляется построение новых молекул ДНК и РНК в ходе репликации и транскрипции.

Отсюда становиться ясным, что должен существовать “словарь”, позволяющий выяснить, какая последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок аминокислот в заданной последовательности. Этот “словарь” получил название генетического, биологического, нуклеотидного, или аминокислотного кода. Генетический код – основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв: A, G, T, C.

Но каким же образом передается информация от РНК, содержащей всего четыре нуклеотида, на белок, содержащий 20 различных аминокислот? Если бы каждый нуклеотид передавал информацию на синтез одной аминокислоты, то всего кодировалось бы 4 аминокислоты. Не может код состоять из двух нуклеотидов, так как в этом случае можно было бы охватить не более 16 аминокислот (42=16). Работами М. Ниренберга и соавторов было установлено, что для кодирования одной аминокислоты требуется не менее трех последовательно расположенных нуклеотидов, называемых кодонами или триплетами. При этом между отдельными кодонами нет промежутков, и информация записана слитно, без знаков препинания. Число сочетаний 43 дает основание полагать, что 20 аминокислот кодируется 64 кодонами. Экспериментально доказано, что таких кодонов меньше, всего 61, а 3 остальных UAA, UAG и UGA не несут в себе информации и первоначально были названы бессмысленными, или нонсенс-кодонами. Однако в дальнейшем было показано, что эти триплеты сигнализируют о завершении трансляции, и поэтому их стали называть терминирующими, или стоп-кодонами.

Кодоны мРНК и триплеты нуклеотидов в кодирующей нити ДНК с направлением от 5¢ к 3¢ – концу имеют одинаковую последовательность азотистых оснований, за исключением того, что в ДНК вместо урацила, характерного для мРНК, стоит тимин (Жимулев И.Ф., 1998)

Выявлена также интересная особенность взаимодействия кодона с антикодоном. Оказалось, что первое и второе азотистые основания кодона образуют более прочные связи с комплементарными основаниями антикодона. Что же касается третьего основания, то эта связь менее прочная, более того, основание кодона может спариваться с другим, не комплементарным основанием антикодона. Этот феномен называют механизмом неоднозначного соответствия или качания. В соответствии с этим урацил антикодона может взаимодействовать не только в аденином, но и гуанином кодона. Гуанин антикодона способен связываться не только с цитозином, но и с урацилом кодона. Это указывает на возможность нескольких кодонов кодировать одну и туже аминокислоту. И действительно было установлено, что ряд аминокислот кодируется двумя и более антикодонами. Только две аминокислоты – метионин и триптофан – кодируются при помощи одного кодона. Тот факт, что одной и той же аминокислоте соответствует несколько кодонов, называется вырожденностью генетического кода. Биологический смысл этого явления связан, по-видимому, с возможностью более быстрого отделения тРНК от мРНК, что очень важно для процесса белкового синтеза.

 

http://www.e-reading.biz/illustrations/1001/1001896-Any2FbImgLoader22

На основании вышеизложенного можно суммировать основные свойства генетического кода:

триплетность — одну аминокислоту кодируют три нуклеотида (триплет или кодон);

-непрерывность — у всех организмов код линейный, однонаправленный и непрерывный;

-неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов;

-специфичность — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте;

-вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов;

-универсальность — генетический код работает одинаково у всех живых организмов.

До последнего времени генетический код считался абсолютно универсальным. Теперь стало известно, что набор тРНК в митохондриях клеток как низших, так и высших эукариотических организмов, считывает 4 кодона иначе, чем тРНК-молекулы цитоплазмы этих же или любых других клеток. В митохондриях необходимы только 22 вида тРНК, в то время как для синтеза белка в цитоплазме используется весь набор, включающий 31 вид тРНК-молекул. И все же, за вышеупомянутым исключением, генетический код – универсален.

До расшифровки генетического кода было невозможно понять механизм синтеза белка и объяснить происхождение мутаций. Открытие генетического кода позволило ответить на вопрос о том, как связаны между собой дефекты определенных белков человека и наследственные заболевания. Кроме того, благодаря расшифровке генетического кода были созданы необходимые предпосылки для диагностики и лечения таких заболеваний.

Генетический код — это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последова­тельность расположения аминокислот в молекуле белка. Очевидно, что каж­дое азотистое основание, входящее в состав молекулы ДНК, не может обус­ловить участие в белковом синтезе одной из аминокислот. Ведь таких оснований всего 4, а в состав белко­вых молекул входит минимум 20 раз­личных аминокислот. Следовательно, использование в белковом синтезе всех известных аминокислот возможно лишь при наличии определенного сочетания единиц информации. Таким сочетанием являются системы трех азотистых оснований, т. е. триплетный код. Группа оснований, которая кодирует одну аминокислоту, получила название кодона.

Описание: http://pwpt.ru/uploads/presentation_screenshots/5bfd5e3a88b4519b6cbb606d9f0f9497.JPG

Четыре основания в комбинациях по 3, т. е. 43, дает 64 раз­ных кодона. В молекуле ДНК каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один кодон. Поэтому код ДНК непере­крывающийся. Кодоны располагаются друг за другом без перерыва. Так как кодонов возможно 64, то одни и те же аминокислоты могут кодироваться раз­личными триплетами (кодонами-си­нонимами). Такой код называют вы­рожденным, или избыточным. Дубли­рующие триплеты отличаются по тре­тьему нуклеотиду (Слюсарев О.О. та ін., 1987).

Последовательность триплетов опре­деляет порядок расположения амино­кислот в молекуле белка, т. е. имеет место коллинеарность. Иными словами, коллинеарность — свойство, осуще­ствляющее такую последовательность аминокислот в белке, в какой соответ­ствующие кодоны расположены в ге­не. Это означает, что положение каж­дой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им амино­кислоты в белке расположены в оди­наковом линейном порядке. Посколь­ку перенос информации с ДНК на белок осуществляется информационной РНК, кодоны каждой из аминокис­лот обозначаются в соответствии с нуклеотидным составом и РНК. Уста­новлены кодоны для всех 20 амино­кислот.

Оказалось, что есть аминокислоты, имеющие по 6 кодонов, и 5 аминокис­лот, каждая из которых кодируется 4 различными кодонами (например, аминокислота аланин, кодирующаяся триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ). Наряду с ними есть аминокислоты, кодирующиеся тремя и двумя трипле­тами и только две аминокислоты — одним триплетом азотистых основа­ний. Кроме того, существует мнение, что некоторые триплеты (УАА, УАГ, УГА) не кодируют аминокислоты, а являются своеобразными «точками» (терминаторами) в процессе считывания информации. Если процесс синтеза доходит до такой «точки» в молекуле РНК, синтез данной полипептидной цепи прекращается. После «точки» начинает синтезироваться новая молекула белка.

Процесс считывания информации происходит в одном и том же направ­лении. Так, если в молекуле иРНК азо­тистые основания будут располагать­ся в таком порядке: ААА ЦЦЦ УГУ УЦУ…, то это означает, что закодиро­ваны последовательно расположенные следующие аминокислоты: лизин (ААА) пролин (ЦЦЦ), цистин (УГУ), серии (УЦЦ). Именно в этой последователь­ности они должны располагаться в полипептидной цепи при синтезе белка.

Если в первом триплете иРНК будет утрачен один аденин, то порядок осно­ваний приобретет следующий вид: АА ЦЦЦ УГУ УЦУ… В результате состав всех триплетов изменится. Первый триплет станет не ААА, а ААЦ. Подобный триплет кодирует аспарагиновую аминокислоту, а не лизин, как прежде. Второй триплет станет уже не ЦЦЦ, а ЦЦУ и т. д. В принципе то же происходит при вставке новых оснований. Таким образом, исчезно­вение или вставка всего лишь одного-двух оснований может нарушить син­тез всех молекул белка, закодирован­ных в данной ДНК.

Многочисленными исследованиями установлена удивительная универ­сальность генетического кода. Он одинаково проявляет себя в системах, полученных из вирусов, бактерий, водорослей и млекопитающих. Следова­тельно, он, по-видимому, один во всем органическом мире. Это одно из наиболее убедительных доказательств общности происхождения всей живой природы.

Клетки должны обладать специальными механизмами для точного, аккуратного и эффективного перевода последовательности мРНК в соответствующую последовательность аминокислот кодируемого белка. Трансляция (биосинтез белков с использованием мРНК в качестве матрицы) осуществляется в клетках при помощи сложной белок-синтезирующей системы. Отдельные компоненты этой системы ассоциируют в единую структуру по мере ее функционирования и разобщаются по окончанию синтеза. В состав белок-синтезирующей системы входят следующие структуры:

·               Рибосомы;

·               матричная РНК;

·               транспортная РНК;

·               белковые факторы и ферменты инициации, элонгации и терминации трансляции;

·               набор аминокислот;

·               набор аминоацил-тРНК-синтетаз, образующих аминоацил-тРНК;

·               макроэрги АТФ и ГТФ;

·               ионы Mg 2+, Ca2+, K+, NH4+.

Рибосомы

Описание: http://www.snob.ru/i/indoc/18/blog_entry_169580.jpg

Процесс трансляции

Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые образования — своеобразные “фабрики”, на которых идёт сборка аминокислот в белки. Обычно рибосомы характеризуют по скорости их седиментации в центрифужном поле, которая количественно выражается константой седиментации s, выражаемой в единицах Сведберга S. Эукариотические рибосомы имеют константу седиментации 80S и состоят из 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц. Каждая субъединица включает рРНК и белки. В 40S субъединицу входит рРНК с константой седиментации 18S и около 30—40 белков. В 60S субъединице обнаружено 3 вида рРНК: 5S, 5,8S и 28S и около 50 различных белков.

Белки входят в состав субъединиц рибосомы в количестве одной копии и выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом (Гуттман Б. та ін., 2004)

В присутствии мРНК 40S и 60S субъединиц объединяются с образованием полной рибосомы, масса которой примерно в 650 раз больше массы молекулы гемоглобина.

 

Синтез полипептидной цепи

 

В рибосоме есть 2 центра для присоединений молекул тРНК: аминоацильный (А) и пептидильный (Р) центры, в образовании которым участвуют обе субъединицы. Вместе центры А и Р включают участок мРНК, равный 2 кодонам. В ходе трансляции центр А связываем аа-тРНК, строение которой определяет кодон, находящийся в области этого центра. В струк туре этого кодона зашифрована природа аминокислоты, которая будет включена в растущую полипептидную цепь. Центр Р занимает пептидил-тРНК, т.е. тРНК, связанная с пептидной цепочкой, которая уже синтезирована (Слюсарев О.О. та ін., 1987).

У эукариотов различают рибосомы 2 типом “свободные”, обнаруживаемые в цитоплазма клеток, и связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР). Рибосомы, ассоциированнье с ЭР, ответственны за синтез белков “на экспорт”, которые выходят в плазму крови и участвуют в обновлении белков ЭР; мембраны аппарата Гольджи, митохондрий или лизосом.

Митохондрии содержат свой набор рибосом. Митохондриальные рибосомы мельче, чем рибосомы эукариотов, прокариотов и имеют константу седиментации 55S. Они также состояв из двух субъединиц, но отличаются от эукаририотических рибосом количеством и составом РНК и белков.

Матричная РНК

Содержит информацию о структуре синтезируемого белка и используется в качестве матрицы.

Опыты Ниренберга свидетельствуют о том, что не рибосома и не рРНК являются матрицей, на которой синтезируются специфические белки, эту роль выполняют поступающие извне матричные РНК. ДНК предает информацию на РНК, которая синтезируется в ядре и затем поступает в цитоплазму. Здесь РНК выполняет матричную функцию для синтеза специфической белковой молекулы. Матричная гипотеза синтеза белка, как и других полимерных молекул ДНК и РНК, получила в настоящее время полное подтверждение. Ее правильность была доказана в экспериментах, которые обеспечивали точное воспроизведение первичной структуры полимерных молекул; причем этот синтез в отличии от беспорядочного химического синтеза отличался не только высокой скоростью и специфичностью, но и направленностью самого процесса, в строгом соответствии с программой, записанной в линейной последовательности молекулы матрицы.

Транспортная РНК

На долю тРНК приходится около 10-15% общего количества клеточной РНК. К настоящему времени открыто более 60 различных тРНК. тРНК называют “адапторные молекулы”, т.к. к акцепторному концу этих молекул может быть присоединена определенная аминокислота, а с помощью антикодона они узнают специфический кодон на мРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере одна специфическая РНК (для ряда аминокислот открыто более одной, в частности для серина – 5 разных тРНК, для лизина и глицина – по 4 разных тРНК, хотя и в этом случае каждая тРНК связана со специфической аминоацил–тРНК-синтетазой). Молекулярная масса большинства тРНК колеблется от 24000 до 29000 Да. Они содержат от 75 до 85 нуклеотидов. Аминокислоты присоединяются к свободной 3¢-ОН-группе концевого мононуклеотида, представленного во всех тРНК АМФ, путем образования эфирной связи. Интересно, что почти все тРНК обладают не только индивидуально сходными функциями, но и очень похожей трехмерной структурой.

Описание: http://www.scorcher.ru/theory_publisher/art_pic/217/Novyy_risunok_dlya_tRNK.jpg

Строение тРНК

Установлена первичная структура почти всех 60 открытых тРНК. Общей для тРНК оказалась также нативная конформация, установленная методом рентгеноструктурного анализа и названная первоначально названная конформацией клеверного листа; на самом деле эта конформация имеет неправильную, Г-образную, форму.

Определение структуры тРНК позволило выявить ряд отличительных участков; так, 3¢-гидроксильном конце располагается одинаковая для всех тРНК последовательность триплета ЦЦА – ОН, к которой присоединяется посредством эфирной связи специфическая аминокислота. Связывание в основном происходит через 3¢-ОН-группу концевого аденилового нуклеотида, хотя получены доказательства возможности присоединения аминокислоты и через 2¢-ОН-группу. Тимидин-псевдоуридин-цитидиловая петля, по-видимому, обеспечивает связывание аминоацил-тРНК с поверхностью рибосомы. Имеется кроме того, добавочная петля, состав которой варьирует у разных типов молекул тРНК; ее назначение неизвестно. Дигидроуридиловая петля, с другой стороны, оказалась необходимой как сайт (место) для узнавания специфическим ферментом – аминоацил-тРНК-синтетазой. Имеется также антикодоновая петля, несущая триплет, названный антикодоном, и расположенная на противоположной стороне от того конца, куда присоединяется аминокислота. Антикодон является антипараллельными в своей комплементарности.

Белковые факторы

В каждой стадии белкового синтеза на рибосоме: инициации, элонгации и терминации участвует разный набор внерибосомных белковый факторов:

– инициации elF1, elF2;

– элонгации FF1, FF2;

– терминации RF1, RF2, RF3;

– другие.

Эти белки связываются с рибосомой или её субъединицами на определённых стадиях процесса и стабилизируют или облегчают функционирование белоксинтезирующей машины (Слюсарев О.О. та ін., 1987).

Аминокислоты

Все 20 аминокислот, входящих в структуру белков организма человека, должны присутствовать в достаточном количестве. Это требование прежде всего относится к незаменимым (т. е. не синтезирующимся в организме) аминокислотам, так как недостаточное снабжение клетки хотя бы одной незаменимой аминокислотой приводит к снижению, а иногда и полной остановке синтеза белка на кодоне, требующем включения этой аминокислоты в белок.

Аминоацил –тРНК синтетазы

Так как у нуклеиновых кислот нет какого-либо специального сродства к боковым цепям аминокислот, взаимное узнавание должно происходить с помощью специальной молекулы белка, способной выявлять одновременно и определенную тРНК-молекулу, и соответствующую аминокислоту. Для подобного узнавания и правильного присоединения соответствующей аминокислоты к молекуле тРНК должно существовать по крайней мере 20 специфичных ферментов. Процесс узнавания и присоединения происходит в два этапа и катализируется ферментом – уникальным для каждой из 20 аминокислот, принадлежащим к классу аминоацил-тРНК-синтетаз. Этот фермент образует активированный промежуточный аминоацил-АМР-ферментативный коплекс, который специфически узнает соответствующую молекулу тРНК и переносит аминокислотный остаток на 3¢-OH группу концевого аденозина. Аминокислота остается присоединенной эфирной связью к тРНК вплоть до включения в определенное положение растущей полипептидной цепи предшественника белка.

Последовательность оснований в ДНК задает порядок следования аминокислот в белке, поскольку каждая аминокислота присоединяется специфическим ферментом только к определенным тРНК, а те, в свою очередь, – только к определенным кодонам в мРНК. Комплексы тРНК-аминокислота связываются с матрицей по одному в каждый данный момент времени. Ниже перечислены основные этапы белкового синтеза (см. также рисунок).

1. Ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазами, присоединяют аминокислоты к соответствующим тРНК. Таких ферментов 20, по одному для каждой аминокислоты.

2. Молекула мРНК присоединяется своим первым кодоном к небольшой частице, называемой рибосомой. Рибосомы состоят из примерно равных количеств рРНК и белка. Структура и функция рибосом весьма сложны, но главная их задача – облегчение взаимодействия мРНК и тРНК и ускорение полимеризации аминокислот, связанных с разными тРНК.

3. тРНК, нагруженная аминокислотой, связывается с соответствующим кодоном мРНК, которая, в свою очередь, контактирует с рибосомой. Образуется комплекс рибосома-мРНК-тРНК-аминокислота.

4. мРНК, подобно ленте на конвейере, продвигается по рибосоме на один кодон вперед.

5. Следующая тРНК, нагруженная аминокислотой, присоединяется ко второму кодону.

6. Первая и вторая аминокислоты связываются между собой.

7. Первая тРНК отсоединяется от комплекса, и теперь вторая тРНК несет две аминокислоты, связанные между собой.

8. мРНК снова продвигается на один кодон вперед, и все события повторяются, а растущая аминокислотная цепь удлиняется на одну аминокислоту. Процесс продолжается, пока не будет достигнут последний, «стоп»-кодон и последняя тРНК не отделится от готовой белковой цепи. В бактериальных клетках цепь из 100–200 аминокислот собирается за несколько секунд. В животных клетках этот процесс занимает около минуты.

Описание: http://www.xumuk.ru/biochem/67.jpg

 

АТФ и ГТФ как источники энергии

На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь клетка затрачивает 4 макроэргические связи: 2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНК синтетазой (в процессе активации аминокислот АТФ расщепляется на АМФ и пирофосфат), и 2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аминоацил-тРНК в А-центре рибосомы, а вторая затрачивается на стадию транслокации. К этому следует добавить использование ещё двух макроэргических связей молекул: АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи.

Описание: http://festival.1september.ru/articles/310332/Image218.gif

 

Синтез белка представляет собой циклический многоступенчатый энергозависимый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуется в генетически детерминированную последовательность с образованием полипептидов. Система белкового синтеза, точнее система трансляции, которая использует генетическую информацию, транскрибированную в мРНК, для синтеза полипептидной цепи с определенной первичной структурой, включает около 200 типов макромолекул – белков и нуклеиновых кислот. Среди них около 100 макромолекул, участвующих в активировании аминокислот и их переносе на рибосомы, более 60 макромолекул, входящих в состав 70S или 80S рибосом, и около 10S макромолекул, принимающих непосредственное участие в системе трансляции. Белковый синтез, или процесс трансляции, может быть условно разделен на 2 этапа: активирование аминокислот и собственно процесс трансляции.

Второй этап матричного синтеза белка, собственно трансляцию, протекающей в рибосоме, условно делят на три стадии: инициации, элонгации и терминации.

Активирование аминокислот

Большая часть аминокислот в цитоплазме клеток находиться не в свободном состоянии, а в виде аминоацил-тРНК. Это предохраняет аминокислоты от метаболических превращений и способствует сохранению набора аминокислот для синтеза белка. Образованию комплекса аминокислота-тРНК предшествует активация аминокислоты и нахождение соответствующей тРНК (рекогниция). Это происходит под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, или АРС-азы. Эти ферменты имеют два активных центра, один из которых соответствует определенной тРНК, а другой строго специфичен соответствующей аминокислоте. Таким образом, в клетке должно быть не менее 20 АРС-аз, хотя фактически их несколько больше. Образование аминоацил-тРНК происходит в два этапа, первым из которых является взаимодействие АК с АТФ:

 

 

Аминоациладенилат (АК~АМФ) остается в комплексе с АРС-азой до присоединения ко второму активному центру фермента тРНК. При взаимодействие комплекса (АК~АМФ)-АРС-аза с тРНК образуется аминоацил-тРНК, при этом выделяется свободный фермент и АМФ:

 

 

Описание: http://www.cellbiol.ru/files/editor4/aminoacyl-tRNA.gif

Синтез первичной структуры белка

Второй этап матричного синтеза белка, собственно трансляцию, протекающую в рибосоме, условно делят на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация

В ходе инициации происходит образованиe комплекса, включающего Мет-тРНКiмет, мРНК и рибосому, где—тРНКiмет инициирующая метиониновая тРНК. В этом процессе участвуют не менее 10 факторов инициации, которые обозначают как elF (от англ. eukaryotic initiation factors) с указанием номера и буквы. У большинства мРНК-молекул эукариот 5¢-конец “кэпирован”. Кэп представляет собой остаток метилгуанозилтрифосфата и, возможно, участвует в связывание РНК-молекул с 40S-субъединицей рибосомы. Первоначально 40S субъединица рибосомы соединяется с фактором инициации, который препятствует её связыванию с 60S субъединицей, но стимулирует объединение с тройным комплексом, включающим Мет-тРНКiмет, eIF-2 и ГТФ. Затем этот теперь уже более сложный комплекс связывается с 5′-концом мРНК при участии нескольких elF. Один из факторов инициации (elF-4F) узнаёт и присоединяется к участку “кэп” на молекуле мРНК, поэтому он получил название кэпсвязывающего белка. Прикрепившись к мРНК, 40S субъединица начинает скользить по некодирующей части мРНК до тех пор, пока не достигнет инициирующего кодона AUG кодирующей нуклеотидной последовательности. Скольжение 40S субъединицы по мРНК сопровождается гидролизом АТФ, энергия которого затрачивается на преодоление участков спирализации в нетранслируемой части мРНК. В эукариотических клеках некодирующие участки мРНК имеют разную длину, но обычно от 40 до 80 нуклеотидов, хотя встречаются области с протяжённостью более 700 нуклеотидов.

Достигнув начала кодирующей последовательности мРНК, 40S субъединица останавливается и связывается с другими факторами инициации, ускоряющими присоединение 60S субъединицы и образование 80S рибосомы за счёт гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата. При образовании полной рибосомы формируются два центра трансляции: донорный (пептидильный, P-центр) и акцепторный (аминоацильный, А-центр).

В Р-центре оказывается AUG-кодон мРНК с присоединённым к нему Мет-тРНКiмет, аминоацильный участок содержит аминоацил-тРНК, соединенную с соответствующим кодоном мРНК.

Элонгация

Самый продолжительный этап белкового синтеза — элонгация, в ходе которого рибосома с помощью аа-тРНК последовательно “читает” мРНК в виде триплетов нуклеотидов, следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5′ к З’-концу, наращивая полипептидную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот. Присоединение соответствующей аминоацил-тРНК в А-участке требует точного узнавания кодона. Фактор элонгации EF1 образует комплекс с ГТФ и молекулой аминоацил-тРНК. Благодаря этому аминоацил-тРНК может присоединиться к рибосоме. При этом произойдет высвобождение комплекса EF1-ГДФ и фосфата. Комплекс EF1-ГДФ затем вновь превращается в EF1-ГТФ при участии других свободных белковых факторов и ГТФ.

a-Аминогруппа новой амино-ацил-тРНК в участке А осуществляет нуклеофильную атаку этерефицированной карбоксильной группы пептидил-тРНК, занимающей P-участок. Эта реакция катализируется пептидилтрансферазой – белковым компонентом, входящим в состав 60S-рибосомной субъединицы.

После удаления пептидильного остатка с тРНК в Р-участке свободная молекула тРНК быстро покидает P-участок. Комплекс ГТФ с EF2 участвует в процессе транслокации новообраованной пептидил-тРНК из А-участка в Р-участок. При этом происходит гидролиз ГТФ, используемого в качестве кофактора EF2, до ГДФ и фосфата . В результате транслокации вновь сформированная пептидил-тРНК и соответствующий ей кодон переходят в Р-участок, освобождая А-участок для нового цикла узнавания следующего кодона соответствующей молекулой аминоацил-тРНК и элонгации.

Терминация

Терминация представляет собой завершение синтеза полипептидной цепи и освобождение ее от рибосомы. После многих циклов элонгации, в результате которых синтезируется полипептидная цепь белка, в А-участке появляется терминирующий или нонсенс-кодон. В норме отсутствуют молекулы тРНК, способные узнавать нонсенс-кодоны. Появление в А-участке терминирующего кодона распознается так называемыми факторами высвобождения (R-факторами). RА при участии ГТФ и пептидилтрансферазы обеспечивают гидролиз связи между полипептидом и молекулой тРНК, занимающей P-участок. После гидролиза и высвобождения синтезируемого полипептида и тРНК 80S-рибосома диссоциирует на 40S- и 60S-субъединицы.

Одну и туже цепь мРНК могут транслировать одновременно множество рибосом. Рибосомы, расположенные на одной молекуле мРНК, образуют полисому.

5. Регуляция биосинтеза белка на этапе трансляции

Лимитирующей стадией процесса трансляции является ее инициация. Наиболее подробно описан процесс изменения скорости инициации трансляции в результате фосфорилирования фактора инициации IF2. Реакция катализируется ферментом IF2-киназой, причем присоединение фосфатной группы инактивирует фактор инициации. Этот феномен был изучен на примере синтеза гемоглобина в ретикулоцитах. Оказалось, что активация IF2-киназы происходит за счет ее фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназой. Взаимодействие этой протеинкиназы с цАМФ и ее активацию блокирует гем, выполняя тем самым негативный контроль синтеза гемоглобина.

К лекарственным веществам, эффективно влияющим на синтез белка, относятся антибиотики. Большинство антибиотиков противобактериального действия ингибируют процессы трансляции. Такие антибиотики, как норвалин и индомицин, препятствуют образованию аминоацил-тРНК; стрептомицин, неомицин, конвалин, ауринтрикарбоновая кислота ингибируют инициацию трансляции; тетрациклин и стрептомицин ингибируют элонгацию, препятствуя связыванию аминоацил-тРНК с А-центром рибосомы. Пептидилтрансферазная реакция блокируется пуромицином и хлорамфениколом, а транслокация – эритромицином и виомицином.

Трансляция. Синтез белка осуще­ствляется в рибосомах. Информация о структуре белка переносится в рибосо­мы иРНК. Процесс переноса информа­ции и ее реализации в виде синтеза белковых молекул носит название трансляции (лат. traslatio — перенесе­ние). Зрелые молекулы иРНК, попав в цитоплазму, прикрепляются к рибо­сомам, а затем постепенно протягива­ются через тело рибосомы. В каждый момент внутри рибосомы находится не­значительный участок иРНК.

Аминокислоты доставляются в ри­босомы различными тРНК, которых в клетке несколько десятков. Молекулы тРНК способны выполнять эту функ­цию потому, что имеют два активных центра. К одному из них прикрепляют­ся молекулы аминокислоты. Прикреп­ление осуществляется с участием АТФ особыми ферментами (белками-синте-тазами), число которых около 20 (как и аминокислот). В результате соеди­нения аминокислот и тРНК образует­ся комплекс аминоацил-тРНК; ами­нокислоты при этом активируются. Процесс узнавания аминокислот тран­спортными РНК получил название ре-когниции. Второй активный центр в аминоацил-тРНК состоит из трех нук-леотидов и называется антикодоном. Антикодон может взаимодействовать с комплементарным кодоном на моле­куле иРНК и передавать соответствую­щую аминокислоту для синтеза белка. Следовательно, тРНК осуществляет считывание  информации  с  иРНК.

Рибосома движется относи­тельно иРНК только в одном направ­лении, перемещаясь на один триплет. Синтез белковой молекулы происходит большой субъединице.

Молекула тРНК, несущая первую аминокислоту белковой молекулы, при­соединяется к комплементарному ей кодону против аминоацильного центра (первый кодон занят инициирующей синтез группой). Рибосома перемеща­ется на один триплет вперед, и тРНК— в пептидильный центр. К новому кодону рибосомы присоединяется новая тРНК, несущая вторую аминокислоту; она занимает аминоацильный центр. Затем между аминокислотами возни­кает пептидная связь и образуется дипептид. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее тРНК, которая удаляется, а дипептид становится связанным только со вто­рой тРНК. Рибосома перемещается еще на один триплет. Комплекс вторая тРНК — дипептид перемещается в пептидильный центр, а новый кодон занимает третья тРНК, связанная с третьей аминокислотой. Между вто­рой и третьей аминокислотой обра­зуется пептидная   связь.   Образовавшийся трипептид теряет связь со второй тРНК. и оказывается соединен­ным только с третьей тРНК. Вторая тРНК удаляется, рибосома перемеща­ется вперед, и третья тРНК с полипеп­тидом занимает пептидильный центр. Это происходит до тех пор, пока путем последовательного присоединения ами­нокислот не будет построена вся поли­пептидная цепь.

Чем длиннее молекула информацион­ной РНК, тем больше информации на ней записано, тем крупнее выстраива­ющаяся на ней молекула. Готовая полипептидная цепь покидает матрицу. Возможно, что на той же матрице на­чинает выстраиваться новая белковая молекула. Синтез белка — эндотерми­ческий процесс, нуждающийся в за­трате энергии. Получение этой энер­гии связано с циклом АТФ (Слюсарев О.О. та др., 1987)

Модель молекулярного механизма работы рибосомы в процессе синтеза белка была предложена академиком А. С. Спириным в 1968 г. Он экспери­ментально показал возможность биосинтеза белка на рибосомах вне клетки.

Синтезированные из аминокислот полипептидные цепи в дальнейшем поступают в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой мо­лекулы (последовательно возникают вторичная, третичная, четвертичная структуры). Здесь же осу­ществляется комплексирование белко­вых молекул с углеводами, жирами. Образуются окончательные функцио­нально активные гликолипидопротеи-новые комплексы, которые включаются в метаболизм в своих клетках либо экскретируются (выводятся) из кле­ток и с током крови поступают к дру­гим органам, выполняя там специфи­ческую роль, в зависимости от своего строения: ферментативную, регуляторную (например, белковые гормоны). Результатом участия белков в метабо­лизме является развитие признака или признаков организмов. Весь процесс биосинтеза белка представляется в ви­де схемы: ДНК → про-иРНК→иРНК→ полипептидная цепь белок →комплексирование белков с другими веществами.

Обнаружено, что на точность считывания генетической информации оказывают влияние условия «работы» рибосом. Например, при повышении содержания ионов магния в рибосоме нарушается нормальное считывание ге­нетического кода. На качественный и количественный состав синтезируемого белка влияет взаимодействие между генами.

„Центральная догма (основной постулат) молекулярной биоло­гии”. Представление о том, что гене­тическая информация хранится в ДНК и таким образом передается от клетки к клетке и из поколения в по­коление, что она реализуется благодаря транскрипции в РНК и следующей за ней трансляцией, определяющей син­тез белка, известно как «центральная догма молекулярной биологии». Исследования последних лет пока­зали, что «центральная догма» долж­на быть дополнена и несколько изменена. Оказалось, что генетическая ин­формация может передаваться не толь­ко от ДНК к РНК, но и в обратном на­правлении — от РНК к ДНК. Эта транскрипция была обнаружена перво­начально у содержащих РНК-вирусов, а затем доказана и в клетках различ­ных организмов от бактерий до млеко­питающих и человека. Осуществля­ется она с помощью ферментов, на­званных ревертазами (лат. reversio — возвращение, возврат). Термин «ревертаза» предложен советским биохимиком В. А. Энгельгардтом.

По-видимому, биологическое зна­чение обратной транскрипции заклю­чается в увеличении числа одинако­вых генов (кодонов ДНК), благодаря чему резко возрастает количество РНК и рибосом и повышается образование белка. Такой процесс особенно важен в развивающихся организмах (Жимулев И.Ф., 1998)

Всякий  ген  располагается  в  хромосоме;  все  гены  в  своей совокупности  составляют  геном,  определяющий  жизнедеятельность организма.  Но  в  этой  картине  ясно  еще  не  все.  Большинство  наших  клеток  представляют  собой  подобие  кубиков  или цилиндров,  которые  образуют  большие  органы  вроде  печени,  трубы  вроде пищевода  и  кровяных  сосудов,  а  также  нижнюю  часть  кожного  покрова. Плоские клетки создают гладкие поверхности внутри сосудов или внешние оболочки.  Клетки  мышц  представляют  собой  либо  очень  длинные цилиндры,  либо  небольшие  веретена  с  упорядоченными  белковыми волокнами,  которые  вытягиваются  и  сокращаются.  Наша  нервная  система содержит клетки с длинными и тонкими отростками (некоторые даже более метра  в  длину),  которые  очень  быстро  передают  сигналы  по  всему  телу. Всего  в  нашем  организме  более  сотни  различных  видов  клеток,  и  чем больше мы их исследуем, тем больше узнаем об их специализации. Если  клетка  вырабатывает  белок,  кодируемый  определенным  геном,  то говорят, что этот ген выражен или что происходит его  экспрессия. 

Регуляция генов у бактерий .

Начнем с простых биологических систем, то есть с бактерий, при изучении которых этот вопрос впервые был поставлен. Исследования велись преимущественно в 1950-х и 1960-х годах, в основном в  парижском  Институте  Пастера;  эксперименты  проводили  французские ученые Франсуа Жако, Жак Моно и некоторые американские специалисты, приехавшие в Париж для совместной работы. Первые опыты касались одной интересной  особенности Е. coli,  обитающей  в  кишечнике млекопитающих. Известно,  что  млекопитающие,  особенно  на  первых  порах  жизни, потребляют  много  молока,  а  основной  сахар  молока —  лактоза. Следовательно, в процессе долгой эволюции бактерии приспособились жить в  среде  с  лактозой,  и  у  бактерий  Е. coli  имеются  ферменты  для  ее переработки. Но поскольку уровень лактозы в среде не всегда одинаков, то у бактерий  должен  существовать  какой-то  механизм  для  определения присутствия  лактозы.  Е. coli —  хорошо  адаптированный  организм,  и метаболизм  лактозы  в нем прекрасно  отрегулирован. Лактоза представляет собой  двойную  молекулу  сахара (дисахарид),  состоящую  из  простых Сахаров — галактозы и глюкозы. На первой стадии метаболизма фермент в-галактозидаза расщепляет  дисахарид  на  составные  части,  которые  клетка  может перерабатывать на последующих  стадиях. Если  выращивать Е. coli  в  среде без  лактозы,  то  бактерии  произведут  небольшое  количество  в-галактозидазы. Если же добавить в культуру лактозу, то через 3—5 минут в клетках  можно  наблюдать  существенные  изменения:  они  начинают вырабатывать  фермент  в 1000  раз  быстрее  прежнего,  и  только  один  этотфермент  может  составить  несколько  процентов  от  общей  массы  бактерии. Стоит удалить лактозу (при помощи фильтров или центрифугирования), как тут же  в  течение нескольких минут производство ферментов  снижается до первоначального уровня. Для  исследования  этого  механизма  Моно  с  коллегами  использовали ставший  классическим  метод  мутационного  анализа.  Они  отбирали мутантов,  не  способных  перерабатывать  лактозу,  и  обнаружили  несколько мутантов с дефективной в-галактозидазой, которых назвали мутантами lacZ. Выяснилось, что  эти мутанты производят нормальный фермент, но,  тем не менее не могут расти в  среде  с лактозой. У них оказался дефектный белок галактозид-пермеаза,  который  доставляет  галактозу  через  клеточную мембрану  внутрь  клетки.  Мутанты  с  дефективной  галактозидпермеазой получили  название  lacY.  Картирование  показало,  что  гены  lacZ  и  lacY, названные так по мутантам, располагаются рядом друг с другом. У  наиболее  интересных  мутантов  наблюдался  дефект  в  регуляторной системе,  поэтому  они  не  могли  начинать  или  останавливать  экспрессию генов  lac.  Мутанты,  названные  lacI,  одновременно  вырабатывали  в-галактозидазу и пермеазу и не имели средств  их  контроля.  Примечательно,  что  ген  lad  расположен  рядом  с генами Z и Y Последующие  эксперименты  позволили  выяснить  механизм  контроля. Прежде  всего  следует  уяснить,  что  экспрессия  гена  подразумевает  его транскрипцию —  синтез  матричной  РНК.  Вспомним,  что  транскрипцию осуществляет  большой  фермент  РНК-полимераза,  которая  начинаеттранскрипцию  с  определенного  места,  примыкающего  к  кодирующему региону  и  называемого  промотором.  Для  генов  lacZ  и lacY  промотором служит небольшой участок между I и Z Полимераза движется и производит РНК-транскрипт  в  определенном  направлении:  часто  говорят,  что  чтение гена  происходит  сверху  вниз.  В  таком  случае  промотор  расположен  выше гена  lacZ. Ген  lacI, который теперь называют геном-регулятором, кодирует белок lac-penpeccop. Это аллостерический белок, который имеет два  центра  связывания  и  поэтому  может  присоединяться  к  двум  разным молекулам.  Один  центр  специфичен  для  небольшой  последовательности ДНК, называемой оператором, которая располагается между промотором и геном  lacZ.  В  отсутствие  лактозы  репрессор  связывается  с  оператором, блокируя транскрипцию, поэтому гены Z и Y оказываются невыраженными. Кроме  того,  у  белка-репрессора  имеется  центр  связывания  с  лактозой, поэтому  если  в  среде  есть  лактоза,  она  связывается  с  репрессором, вследствие  чего  репрессор  слегка  изменяет  свою  форму  и  уже  не  может связываться  с оператором. Поэтому репрессор отсоединяется от оператора, позволяя осуществлять транскрипцию генов Z и Y.

 

Таким  образом,  гены  Z  и  Y  выражаются  совместно.  Такие  гены, контролируемые одним оператором, называются опероном. Геном  бактерий  насчитывает  многие  виды  оперонов,  которые регулируются  по-разному.  Например,  регуляция  генов  биосинтеза, кодирующих ферменты для производства таких клеточных компонентов, как аминокислоты,  происходит  по  иной  схеме,  противоположной  описанной. Предположим, что клетка находится в среде, богатой всеми необходимымиаминокислотами.  Если  регуляция  генов  клетки  происходит  правильно,  то она  должна  прекратить  тратить  лишнюю  энергию  на  производство избыточных  материалов.  Гены  биосинтеза  ферментов  также  образуют опероны,  но  их  регулируют  другие  виды  белков-репрессоров,  которые связываются  с  оператором (и  тем  самым  блокируют  транскрипцию  генов) только при наличии избытка аминокислот. Например, синтез  гистидина  кодируется  большим  блоком  генов,  который

регулируется одним оператором и репрессором. Этот репрессор связывается с  оператором  и  предотвращает  транскрипцию  генов  только  в  том  случае, когда  в  клетке  имеется  избыток  гистидина.  Если  концентрация  гистидина

уменьшается,  молекулы  гистидина  отсоединяются  от  молекул  репрессора(Слюсарев О.О. и др., 1987).

Регуляция генов эукариот

Вопрос  о  регуляции  генов  в  клетках  эукариот  требует иной постановки, поскольку образ жизни типичных эукариот коренным образом отличается от образа жизни прокариот. Прокариоты — это простые бактерии, живущие в окружающей среде, которая может постоянно изменяться. Их комплексный механизм регуляции сложился в ответ на требования быстро приспосабливаться к среде и немедленно реагировать напоявление  или  исчезновение  питательных  веществ.  Конечно,  многие эукариотические  микроорганизмы  ведут  себя  приблизительно  так  же,  но большинство  эукариот —  это  многоклеточные  организмы —  растения  и животные. Их клетки живут в окружении других клеток того же организма в мало меняющейся среде. У человека имеются системы контроля (например, нервная  и  гормональная),  поддерживающие  постоянные  состав  крови  и других  тканей,  температуру,  кровяное  давление  и  другие  характеристики. Некоторые клетки, конечно, вынуждены реагировать на быстрые изменения (как,  например,  клетки  печени),  но  среда  большинства  клеток  меняется незначительно.  Скопления  клеток  в  той  или  иной  ткани  вырабатывают специфические  белки,  придающие  им  отличительную  форму  и способствующие  выполнению  специфической  функции.  Следовательно, главный вопрос регуляции генов растений и животных касается того, о чем мы  говорили  в  начале  главы,  а  именно:  каким  образом  зигота  становится взрослым  организмом.  Об  этом  мы  и  поговорим  далее,  на  примере животных. О регуляции  генов бактерий  с их репрессорами и операторами  забывать не  стоит,  потому  что  это  прекрасная  общая  модель:  экспрессию  генов регулируют  особые  белки,  которые  связываются  с ДНК  на  специфических регуляторных участках. Однако детали механизма регуляции эукариот могут значительно  отличаться  от  механизма  регуляции  у  бактерий.  Обычно отдельный  ген  регулирует  сам  себя,  а  не  блок  генов  в  виде  оперона.  У каждого гена имеется свой промотор, и он регулируется комплексом белков,  которые  связываются  с  промотором  и  друг  с  другом.  Такая регуляция  порой  становится  невообразимо  сложной.  В  клетках  эукариот содержатся  общие  белки,  которые  связываются  со  всеми  промоторами  и инициируют  транскрипцию;  кроме  того,  в  них  есть  более  или  менее специфичные  белки  для  различных  классов  генов.  Все  эти  белки нагромождаются друг на друга на участке промотора, и только когда все они на месте, молекула РНК-полимеразы связывается с промотором и начинает

транскрипцию  гена.  На  страницах  этой  книги  нет  смысла  описывать регуляцию  какого-то  конкретного  гена  и  его  белков,  потому  что  для непосвященного  читателя  она  предстанет  как  список  бессмысленных названий. Важно понять, что решение включить тот или иной ген во время эмбрионального  развития,  принимается  в  ходе  взаимодействий  нескольких

регулирующих белков.

Описание: http://www.xumuk.ru/biologhim/bio/img1200.jpg

 

Регуляция экспресии генов

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Приєднуйся до нас!
Підписатись на новини:
Наші соц мережі