Биосинтез ДНК, РНК и белка. Регуляция биосинтеза

При делении клетки (дифференцировка тканей, рост и развитие организма в онтогенезе, репарация тканей) происходит репликация (удвоение ДНК). При биосинтезе ДНК образуются две новые (дочерние) двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской ДНК. Причем, каждая из этих молекул содержит одну неизменную цепь родительской ДНК и другую – новообразованную. При этом двухцепочечная (материнская) ДНК расплетается, и на каждой материнской цепи формируются дочерние комплементарные цепочки полинуклеотидов. Этапы репликации: инициация, элонгация и терминация. Инициация синтеза новых дочерних цепей: узнавание точки начала репликации, расплетение нитей ДНК (ДНК-расплетающий белок), удержание цепей в расплетенном состоянии (ДНК-связывающий белок). Элонгация – удлинение цепи, полимеризация, образование ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого (ДНК-полимеразы). Субстраты и источники энергии для образования полимерных цепей из мононуклеотидов – дезоксирибонкулеозидтрифосфаты: д-ГТФ, д-АТФ, д-ТТФ, д-ЦТФ. При их гидролизе образуются мономеры (м-ГТФ, м-АТФ, м-ТТФ, м-ЦТФ) для формирования полинуклеотидов, а также энергия для образования ковалентной связи между этими мономерами. Терминация – окончание синтеза ДНК. Поскольку в молекуле ДНК нуклеотидные остатки образуют пары А^…Т и Г^…Ц в реакции расходуются одинаковые количества д-АТФ и д-ТТФ и одинаковое количества д-ГТФ и д-ЦТФ (правила Чаргаффа). Синтез новых цепей всегда идет в направлении от 5′-конца к 3′-концу. Поэтому на одной из ветвей репликативной вилки новая цепь наращивается непрерывно, на другой же ветви по мере раскручивания ДНК образуются короткие фрагменты новой цепи – фрагменты Оказаки. Необходимым условием начала синтеза дочерней цепи ДНК и каждого фрагмента Оказаки является образование сравнительно короткого (≈ 200 нуклеотидов) фрагмента РНК (затравки, праймера). При хранении и биосинтезе ДНК в ней могут возникать различные повреждения: отрыв азотистых оснований, разрыв нуклеотидной цепи (при воздействии различных физических, химических и биологических факторов). В клетке функционируют системы репарации ДНК: эндонуклеазы, ДНК-полимеразы репарирующие, ДНК-лигазы и др. Они «узнают» место дефекта, гидролитически выщепляют неправильный нуклеотид, встраивают нужный и «сшивают» концы разорванной цепи. Если репарирующая система не заметила дефекта в гене, это ведет к мутации (к нерепарированному наследуемому изменению первичной структуры ДНК). В таких случаях в клетке будет продуцироваться белок с измененными функциональными свойствами и развивается наследуемое заболевание. В других случаях это ведет к гибели организма или к образованию новых видов.

Основной постулат молекулярной биологии: ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК – матрицей для синтеза белков. Синтез РНК (транскрипция) идет только в присутствии ДНК (матрицей служит одна из цепей ДНК – транскрибируемая нить). Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру комплементарную матрице (т.е. одной из цепей ДНК). Субстратами реакций служат рибонуклеозидтрифосфаты: АТФ, УТФ, ГТФ и ЦТФ: при гидролизе из них получаются мономеры (АМФ, УМФ, ГМФ и ЦМФ) и энергия для образования РНК. При транскрипции возможно образование 3-х видов РНК – транспортной, матричной и рибосомальной. Этапы биосинтеза РНК: инициация (процесс узнавания точки начала транскрипции, расплетение ДНК и удержание нитей в расплетенном состоянии), элонгация и терминация. Ферменты – ДНК-зависимые РНК-полимеразы I, II, III.

Биосинтез белка (трансляция). Процесс требует наличия в клетке нескольких десятков ферментов, свыше 70 различных рибосомальных белков, около 100 различных видов РНК, факторов инициации, элонгации и терминации. Всего в процессе биосинтеза одной молекулы белка «работают» согласованно более 300 различных типов молекул. Этапы: активация аминокислот (образование аминоациладенилата и затем аминоацил-т-РНК), инициация (возможна при наличии в клетке инициирующих факторов, м-РНК, инициаторной метионил-т-РНК, ГТФ и рибосомальных субъединиц). Начало полипептидной цепи инициируют кодоны АУГ и ГУГ. Присоединиться к первой аминокислоте инициирующего комплекса (к метионину) может только аминокислота в составе аминоацил-т-РНК, антикодон которой (т-РНК) комплементарен кодону м-РНК. Элонгация осуществляется путем удлинения полипептидной цепи за счет последовательного присоединения аминокислот). Фермент – пептидилтрансфераза. Далее, за счет энергии гидролиза ГТФ, следует передвижение (фермент транслоказа) рибосомы вдоль м-РНК. При этом от м-РНК отсоединяется и освобождается из рибосомы первая т-РНК которая доставила метионин. На ее месте (в П-участке) оказывается аминоацил-т-РНК, которая принесла вторую аминокислоту и теперь несет дипептид в рибосоме. В А-участке оказывается м-РНК с третьим кодоном. К нему по принципу комплементарности присоединяется третья аа-т-РНК, несущая третью аминокислоту. Описанные реакции повторяются столько раз, сколько в белке аминокислот.

Терминация. На м-РНК, вслед за кодоном, кодирующим последнюю аминокислоту, располагается один из триплетов УАА, УАГ, УГА, который не кодирует ни одной аминокислоты (бессмысленные кодоны). Вместе с терминирующими факторами они вызывают гидролитическое отсоединение полипептида, отделение последней т-РНК от м-РНК, диссоциацию рибосомы на субъединицы и распад м-РНК.

Посттрансляционная модификация синтезированной полипептидной цепи: формирование пространственных структур (вторичной, третичной и четвертичной) белка, присоединение небелковых компонентов и образование фосфо-, метало-, глико-, нуклео-, липопротеинов, гемоглобина, ферментов, содержащих коферменты и т.д.

Регуляция скорости биосинтеза белков. На уроне транскрипции: гипотеза Жакоба и Моно о наличии в ДНК, помимо структурных генов, специальных участков (гена-регулятора, промотора и оператора), регулирующих скорость транскрипции, т.е. скорость синтеза м-РНК. На уровне трансляции биосинтез белка могут ингибировать антибиотики, которые блокируют работу рибосом, ингибируют активность ферментов и т.д. При этом в бактериях нарушается биосинтез различных белков, и они погибают.

Антитела (АТ, иммуноглобулины) – группа белков с особенностями строения и функций. С ними связана невосприимчивость к инфекционным болезням (иммунитет). Антитела синтезируются в лимфоцитах-В и выделяются в кровь, образуя фракцию иммуноглобулинов плазмы. Структурную основу иммуноглобулинов составляют 4 пептидные цепи, соединенные друг с другом дисульфидными связями: 2 тяжелые (цепи Н) с ММ 50000 и 2 легкие (цепи L) с ММ 25000. Такую структуру называют мономером. В пептидных цепях различают вариабельные (V) и постоянные, или константные (С), области. По различиям первичной структуры постоянных областей легкие цепи делятся на 2 типа (χ и λ), тяжелые – на 5 типов. По типу тяжелых цепей, входящих в мономеры, все иммуноглобулины делятся на 5 классов (IgА, IgМ, IgG, IgЕ, IgD) . Каждый класс включает огромное множество индивидуальных иммуноглобулинов различающихся по первичной структуре вариабельных областей; общее число иммуноглобулинов всех классов равно ≈ 10⁷. Синтез антител начинается в ответ на попадание во внутреннюю среду организма чужеродных макромолекул, например, белков бактериальной клетки. Вещества, индуцирующие синтез антител, называются антигенами (АГ). Антитела способны связывать антиген, вызвавший их образование, и тем самым защищать организм от возможного вредного действия чужеродных макромолекул, бактерий или других частиц. В результате связывания АГ и АТ возникают сложные молекулярные комплексы. Они могут выпадать в осадок, на этом основана реакция преципитации для обнаружения АТ или АГ. Иммуноглобулины и синтезирующие их В-лимфоциты - это часть иммунной системы, обеспечивающей гуморальный иммунитет. Другая часть представлена Т-лимфоцитами. Эти клетки в ответ на введение АГ тоже синтезируют белки рецепторы АГ. Они не выделяются в кровь, а остаются в клеточной мембране Т-лимфоцитов. Т-лимфоциты присоединяются к клеткам, в мембранах которых содержатся АГ к белкам-рецепторам, и разрушают эти клетки (клеточный иммунитет). Клеточный иммунитет лежит в основе отторжения чужеродного трансплантата (тканевая несовместимость). Кроме того, Т-лимфоциты ответственны за защиту от небактериальных инфекций – вирусной, грибковой, паразитарной. Система клеточного и гуморального иммунитета, а также белки комплемента и пропердиновой системы тесно связаны и функционируют как единая иммунная система организма.