Г л а в а 3. ДНК, РНК И СИНТЕЗ БЕЛКА

Механизм комплементарного матричного копирования занимает центральное место в процессах переноса информации в биологических системах. Генетическая информация каждой клетки закодирована в по­следовательности оснований ее полинуклеотидов, и эта информация

передается из поколения в поколение благодаря комплементарное™ спаривания оснований.

Индивидуальными генетическими элементами со строго специфич­ной нуклеотидной последовательностью, кодирующими функциональ­ные белки или РНК, являются гены. Гены находятся в ядре клетки, в хромосомах. В некоторых генах всего 800 пар нуклеотидов, в других -около миллиона. У человека 80-90 тыс. генов. Одни гены, называемые структурными, кодируют белки, другие - только молекулы РНК. Ин­формация, содержащаяся в генах, которые кодируют белки, расшифро­вывается в ходе двух последовательных процессов: синтеза РНК, нося­щего название транскрипции и синтеза белка - трансляции. Сначала на определенном участке ДНК, как на матрице, синтезируется мРНК (информационная, матричная РНК) — в клетках животных этот процесс осуществляется в ядре. Затем, перенеся информацию из ядра в цито­плазму, в ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии тРНК (транспортных РНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы. Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы однозначно задает ее структуру и функции. Нуклеотиды как субъединицы ДНК, РНК выступают также в качестве переносчиков энергии.

Структура ДНК (рис. 5) - это линейный полимер. Его мономерные единицы (нуклеотиды) состоят из азотистого основания, пятиуглерод-ного сахара (пентозы) и фосфатной группы. Фосфатная группа присое­динена к 5'-атому углерода моносахаридного остатка, органическое ос­нование - к 1'-атому. Каждому нуклеотиду присвоено название, соот­ветствующее названию входящего в его состав уникального основания. Основания в ДНК двух типов - пуриновые (аденин — А и гуанин — С) и пиримидиновые (цитозин - С, тимин - Т, урацил - U).

Нуклеотиды существовуют в двух оптических изомерах - L и D. Все без исключения живые организмы для построения своих нуклеоти­дов используют только D-формы. Присутствие даже малого количества L-формы нуклеотидов ингибирует или полностью блокирует работу ферментов синтеза ДНК.

В ДНК моносахарид представлен 2'-дезоксирибозой, содержащей одну гидроксильную группу, в РНК - рибозой, имеющей две гидро-ксильные группы. Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфир-ными связями, при этом фосфатная группа 5'- углеродного атома одного нуклеотида связана с 3’-ОН группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида. На одном конце полинуклеотидной цепи находится 3’-ОН группа, на другом 5’-фосфатная группа.

Нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих спираль. Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплемен­тарными основаниями противоположных цепей. При этом аденин обра­зует пару только с тимином, гуанин - с цитозином. Пара оснований А-Т стабилизируется двумя водородными связями, пара С-С - тремя. Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет со­бой одну двойную спираль длиной 263 миллиона пар нуклеотидов.

Сахарофосфатный состав молекулы, состоящий из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5'—З'-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы», а пары А-Т и С-С - «ее ступеньки». Цепи молекулы ДНК антипаралельны: одна из них имеет направление 3'—5', другая 5'—>3'. Нуклеотиды считают пара­ми потому, что в молекуле ДНК две цепочки и их нуклеотиды соедине­ны попарно поперечными связями.

Носитель генетической информации должен удовлетворять двум требованиям — воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точно­стью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул. Со­гласно принципу комплементарности, каждая цепь ДНК может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Когда клетке необходимо разделиться, непосредственно перед этим она копирует молекулу ДНК в своих рибосомах. При этом две нити ДНК расходятся и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точно­сти повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родитель­ской клетке. В итоге появляются две идентичные дочерние хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происхо­дит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро. Следовательно, после каждого раунда репликации образуются две дочерние молекулы, каждая из ко­торых имеет такую же нуклеотидную последовательность, как исходная молекула ДНК. Нуклеотидная последовательность структурного гена однозначно задает аминокислотную последовательность кодируемого ею белка. Следовательно, каждая цепь ДНК служит матрицей при син­тезе новой комплементарной цепи, а последовательность оснований в синтезируемой (растущей) цепи задается последовательностью компле­ментарных оснований цепи-матрицы.

Синтез ДНК у про- и эукариот осуществляется при участии множе­ства различных ферментов. Основную роль играет ДНК-полимераза, которая последовательно присоединяет звенья растущей полинуклеотидной цепи в соответствии с принципом комплементарности и катали­зирует образование фосфодиэфирных связей.

Для разделения ДНК разработаны специальные гели на основе агарозы (полисахарид, выделяемый из морских водорослей). Предложена модификация гельэлектрофореза в агарозном геле, названная пульс-электрофорез, позволяющая разделять большие молекулы ДНК.

Определены последовательности нуклеотидов генов многих млеко­питающих, включая гены, кодирующие гемоглобин, инсулин, цитохром С. Объём информации о ДНК столь велик (многие миллионы нуклеоти­дов), что для хранения и анализа имеющихся данных необходимы мощ­ные компьютеры.

Для определения того, какие гены активны в данном типе клеток (идентификация специфических последовательностей), используют ме­тод, именуемый ДНК-футпринтинг. Фрагменты ДНК метят Р , затем расщепляют нуклеазами, разделяют на геле и выявляют на радиоавто­графе. Если водный раствор ДНК нагреть до 100 °С и сильно защело-чить (рН 13), то комплементарные пары оснований, удерживающие две цепи двойной спирали вместе, разрушаются и ДНК быстро диссоцииру­ет на две цепи. Этот процесс, называемый денатурацией ДНК, ранее считался необратимым. Но если комплементарные цепи ДНК выдер­жать при температуре 65 °С, они легко спариваются, восстанавливая структуру двойной спирали, - процесс получил название ренатурации.

Подавляющее большинство генов содержит в закодированном виде информацию о синтезе белков. Полипептидам присуща большая уни­версальность, они состоят из аминокислот с химически разнообразными боковыми цепочками и способны принимать разные пространственные формы, которые насыщены реакционноспособными участками. Свойст­ва полипептидов делают их идеально подходящими для выполнения разнообразных структурных и функциональных задач. Белки участвуют практически во всех процессах, протекающих в живых системах, они служат катализаторами биохимических реакций, осуществляют транс­порт внутри и между клетками, регулируют проницаемость клеточных мембран, из них строятся различные структурные элементы. Белки - не только основной строительный материал живого организма, многие из них - ферменты, управляющие процессами в клетке. Белки участвуют в осуществлении двигательных функций, обеспечивают защиту от ин­фекций и токсинов, регулируют синтез остальных генных продуктов.

Все аминокислоты имеют сходное химическое строение: к цен­тральному атому углерода присоединен атом водорода, аминогруппа, карбоксильная группа и боковая цепь. Существует 20 разных боковых групп и соответственно 20 аминокислот: например, в аминокислоте аланин боковой цепью является метильная группа (табл. 1).

Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Первая аминокислота белковой молекулы имеет свободную аминогруппу (N-конец), последняя - сво­бодную карбоксильную группу (С-конец).

Длина белковых молекул варьирует от 40 до 1000 аминокислотных остатков; в зависимости от их последовательности и аминокислотного состава молекулы белков принимают разную форму (конфигурацию, конформацию). Многие функционально активные белки состоят из двух и более полипептидных цепей, как идентичных, так и несколько разли­чающихся. Белки, выполняющие ключевые функции, представляют со­бой сложные белковые комплексы, состоящие из множества разных полипептидных цепей - субъединиц.

С помощью генетического кода полинуклеотидная последователь­ность определяет последовательность аминокислот в белке; различные триплеты нуклеотидов кодируют специфические аминокислоты.

Важное «передаточное звено» при переводе генетической информа­ции с языка нуклеотидов на язык аминокислот - РНК (рибонуклеино­вые кислоты), которые синтезируются на определенных участках ДНК, как на матрицах, в соответствии с их нуклеотидной последователь­ностью.

Молекулы РНК несут информацию, они обладают химической ин­дивидуальностью, влияющей на их поведение. Молекула РНК обладает двумя важными свойствами: закодированная в её нуклеотидной последовательности информация передаётся в процессе репликации, а уни­кальная пространственная структура определяет характер взаимодейст­вия с другими молекулами и реакцию на внешние условия. Оба этих свойства - информационное и функциональное - являются необходи­мыми предпосылками эволюционного процесса. Нуклеотидная после­довательность молекулы РНК аналогична наследственной информации, или генотипу организма. Пространственная укладка аналогична фено­типу - совокупности признаков организма, подверженного действию естественного отбора.

РНК (рис. 5) — линейная полинуклеотидная молекула, отличающая­ся от ДНК по двум параметрам:

1. Моносахаридом в РНК является рибоза, содержащая не одну а две гидроксильные группы;

2. Одним из четырех оснований в РНК является урацил, занимаю­щий место тимина.

Существование РНК в виде одной нити обусловлено:

отсутствием у всех клеточных организмов фермента для катали­за реакции образования РНК на матрице РНК; такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых «записаны» в ви­де двухнитчатой РНК, остальные организмы могут синтезиро­вать молекулы РНК только на ДНК-матрице; из-за отсутствия метильной группы у урацила связь между аде-нином и урацилом малоустойчива и «удержание» второй (ком­плементарной) нити для РНК является проблемным. По причине однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручива­ется в спираль, а образует структуры в виде «шпилек», «петель». Спа­ривание оснований в молекуле РНК происходит таким же образом, как и в ДНК, за исключением того, что вместо пары А-Т, образуется А-U Комплементарные основания, как и в ДНК, соединены между собой водородными связями.

Существуют три основных типа РНК:

информационная (мРНК);

рибосомная (рРНК);

транспортная (тРНК).

Правильность транскрипции, т.е. ее начало и завершение в нужных сайтах (специфических участках), обеспечивают специфические нук- -леотидные последовательности в ДНК, а также белковые факторы. Транскрипция на ДНК осуществляется в клеточном ядре. Молекулы мРНК переносят информацию из ядра в цитоплазму, где она используется при трансляции белков, аминокислотные последовательности ко­торых закодированы в последовательностях нуклеотидов мРНК (т.е., в конечном счете, в ДНК). мРНК связана с рибосомами, в которых осу­ществляется соединение аминокислот с образованием белков. Рибосо­мы - нуклеотидные частицы, в состав которых входит высокополимер­ная РНК и структурный белок. Биохимическая роль рибосом - синтез белка. Именно на рибосомах происходит соединение отдельных амино­кислот в полипептиды, завершающееся образованием белков.

У большинства прокариот транскрипция всех РНК осуществляется с участием одной и той же РНК-полимеразы. У эукариот мРНК, рРНК, тРНК транскрибируются разными РНК-полимеразами.

С генетической точки зрения ген представляет собой специфиче­скую нуклеотидную последовательность, траскрибируемую в РНК. Большинство транскрибируемых последовательностей ДНК составляют структурные гены, на которых синтезируется мРНК. Конечным про­дуктом структурного гена является белок. У прокариот структурный ген представляет собой непрерывный участок молекулы ДНК. У эукариот большинство структурных генов состоит из нескольких дискретных (отдельных) кодирующих областей — экзонов,разделенных некоди-рующими областями - нитронами.По завершении транскрипции эука-риотического структурного гена интроны вырезаются ферментами из первичного продукта транскрипции, экзоны сшиваются друг с другом «торец в торец» (сплайсинг)с образованием мРНК. Обычно длина эк­зонов составляет от 150 до 200 нуклеотидов, длина интронов варьирует от 40 до 10000 нуклеотидов.

В активно функционирующей клетке примерно 3-5% суммарной РНК приходится на долю мРНК, 90% — на долю рРНК, 4% — на долю тРНК. мРНК может быть представлена десятками различных типов мо­лекул; рРНК - двумя типами. Более крупная рРНК образует с белками рибонуклеотидный комплекс, называемый большой рибосомной субъ­единицей. рРНК меньшего размера — комплекс, называемый малой ри-босомальной субъединицей. При синтезе белков субъединицы объеди­няются с образованием рибосомы. рРНК принадлежит роль главного катализатора в процессе синтеза белка, она составляет более 60% массы рибосомы. В эволюционном аспекте рРНК представляет собой основ­ной компонент рибосомы.

Помимо тысяч рибосом в клетке, активно синтезирующей белки, содержится до 60 различных видов тРНК. тРНК - это линейная одноце-почечная молекула длиной от 75 до 93 нуклеотидов, имеющая несколько взаимно комплементарных участков, спаривающихся между собой. С помощью специфических ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаз) к 3'-концу тРНК присоединяется соответствующая аминокислота. Для каж­дой из 20-ти аминокислот, из которых состоят все белки, существует, по крайней мере, одна специфическая тРНК. На другом конце молекул тРНК расположена последовательность из трех нуклеотидов, называе­мая антикодоном, она распознает специфический кадок в мРНК и оп­ределяет, какая аминокислота будет присоединена к растущей полипеп­тидной цепи.

Трансляция (синтез белка) осуществляется при участии мРНК, раз­ных тРНК, «нагруженных» соответствующими аминокислотами, рибо­сом и множества белковых факторов, обеспечивающих инициацию, элонгацию, терминацию синтеза полипептидной цепи.

Нуклеотидная последовательность, в которой закодировано более одного белка, называется опероном. Оперон находится под контролем единственного промотора, и при его транскрипции образуется одна длинная молекула мРНК, кодирующая несколько белков.

Синтез мРНК и соответственно синтез белка строго регулируется, так как у клетки недостаточно ресурсов для одновременной транскрип­ции и трансляции всех структурных генов. Про- и эукариоты постоянно синтезируют только те мРНК, которые необходимы для выполнения основных клеточных функций. Экспрессия остальных структурных ге­нов осуществляется под строгим контролем регуляторных систем, за­пускающих транскрипцию только в случае возникновения потребности в определенных белках. За включение и выключение транскрипции от­вечают дополнительные факторы транскрипции, которые связываются с соответствующими участками ДНК.

При синтезе белковых молекул первичной стадией образования по­липептидной цепи белка является процесс активации аминокислот с помощью аденозинтрифосфата. Процесс активации идет при участии ферментов, в результате чего образуются аминоациладенилаты. Затем под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы (для каждой из 20 аминокислот имеется свой особый фермент) «активированная» ами­нокислота соединяется с тРНК. Далее комплекс аминоацил-тРНК пере­носится на рибосомы, где происходит синтез полипептида. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Первая аминокислота белковой молекулы имеет свободную аминогруппу (N-конец), последняя - свободную карбок­сильную группу (С-конец).

Сформировавшиеся белки освобождаются из рибосом, а рибосомы после этого могут присоединять новые комплексы аминоацил-тРНК и синтезировать новые белковые молекулы. Рибосомы связаны с мРНК, которая определяет последовательность чередования аминокислот в полипептидных цепочках. Таким образом, целостность и функциональ­ная активность рибосом в клетках - одно из необходимых условий син­теза белковых молекул.

Тест-контроль к главе 3 Выберите правильные ответы:

1. Утверждение «ДНК является хранилищем генетической инфор­мации, потому, что ее молекулы в отличие от РНК более стабильны»:

А - верно;

Б - не верно;

В - требует уточнения.

2. Носитель генетической информации должен удовлетворять тре­бованиям:

А — реплицироваться с высокой точностью;

Б - не подвергаться химическому гидролизу;

В - детерминировать синтез белковых молекул;

Г - выступать в качестве переносчика энергии;

Д - образовывать замкнутую кольцеобразную структуру.

3. Для разделения молекул ДНК используют:

А — высаливание;

Б - обратный осмос;

В - пульс-электрофорез;

Г - гельэлектрофорез;

Д - электродиализ.

4. Отличие молеклы РНК от молекулы ДНК:

А - моносахаридом является дезоксирибоза;

Б - моносахаридом является рибоза;

В - азотистое основание - тимин;

Г — азотистое основание — урацил;

Д — азотистое основание — гуанин.

5. Синтез молекулы ДНК осуществляется:

А - ДНК-лигазой;

Б - ДНК-полимеразой;

В — из L-формы нуклеотидов;

Г - из D-формы нуклеотидов;

Д - из смеси Dи L-форм нуклеотидов.

6. Сплайсинг:

А — вырезание из предшественника мРНК экзонов и ковалентное соединение интронов с образованием зрелых молекул мРНК;

Б - вырезание из предшественника мРНК интронов и ковалентное соединение экзонов с образованием зрелых молекул мРНК;

В - синтез зрелых молекул тРНК из путем сшивки отдельных нук-леотидов «торец в торец»;

Г — вырезание из предшественника мРНК интронов и их ковалент­ное соединение с образованием зрелых молекул мРНК;

Д - последовательное ковалентное соединение экзонов и интронов с образованием зрелых молекул мРНК.

7. Ко дон:

А -три соседних нуклеотида мРНК, кодирующих определенную аминокислоту;

Б - три соседних нуклеотида тРНК, комплементарный нуклеотидам специфического кодона в молекуле мРНК;

В -три соседних нуклеотида тРНК, кодирующих определенную аминокислоту;

Г — три соседних нуклеотида тРНК, кодирующих определенную по­следовательность аминокислот;

Д -три соседних нуклеотида мРНК, кодирующих определенную аминокислоту.

8. Уникальная пространственная структура молекулы РНК опреде­ляет:

А - процесс репликации;

Б — генотип;

В — фенотип;

Г - характер взаимодействия с другими молекулами и внешними

условиями; Д - локализацию молекулы РНК.

9. Процессы транскрипции идут:

А - постоянно с одинаковой скоростью;

Б — под контролем регуляторных систем;

В - периодически по мере накопления энергии;

Г — сопряжено с процессами формирования молекул ДНК;

Д -со скоростью, пропорциональной формированию структурных генов.

10. Оперон:

А - участок ДНК, содержащий несколько структурных генов;

Б - участок ДНК, содержащий один структурный ген;

В - нуклеотидная последовательность, кодирующая один белок;

Г - нуклеотидная последовательность, кодирующая более одного

белка;

Д - длинная молекула мРНК, кодирующая несколько белков.