Биосинтез белка - реализация наследственной информации (экспрессия генов)

Теоретические вопросы молекулярных основ наследственности

Носителями наследственной информации в клетке является нуклеиновые кислоты. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК - дезоксирибонуклеиновая и РНК - рибонуклеиновая кислота, они отличаются химическим строением и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды, состоящие из 3-х компонентов: 1) остатка молекулы фосфорной кислоты, 2) моносахарида - пентозы (рибоза или дезоксирибоза) 3) одного азотистого осно­вания (пурина или пиримидина): аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У).

В состав ДНК входит моносахарид дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄, в РНК - рибоза С₅Н₁₀О₅ (с чем и связаны различия в наименовании нуклеиновых кислот).

Азотистые основания А, Г, Ц встречаются в ДНК и РНК, но тимин входит в состав только ДНК, а урацил - только в РНК.

Наследственная информация записывается с помощью генетического кода, она заключена в последовательности нуклеотидов ДНК, одним триплетом или кодоном, кодируется одна аминокислота. Генетический код - это система запи­си информации в молекулах м-РНК о расположении аминокислот в молекулах белка. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на м-РНК.

Основные биологические функции ДНК заключаются в: 1) хранении, 2) самовоспроизведении (репликации), 3) передаче генетической информации, пу­тем редупликации ДНК дочерними клетками в процессе индивидуального раз­вития и передаче наследственной информации из поколения в поколение через половые клетки, 4) ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи информации из ядра к месту синтеза белка - репликация м-РНК.

Кроме того, ДНК имеет свойства репарации (восстановления структуры ДНК), рекомбинации и мутации, обусловливающие наследственную изменчи­вость организмов. Вот такие чрезвычайно важные и необходимые функции и свойства имеет и выполняет ДНК как для поддержания, так и воспроизведения жизни на Земле.

Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации. Именно м-РНК является посредни­ком (матрицей) между ДНК, находящей в ядре и строящейся белковой молеку­лой на полирибосоме в цитоплазме, р-РНК входит в состав рибосом, а т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. По структуре различают двухцепочечные РНК, являющиеся хранителями генетической информации у вирусов растений и ряда вирусов животных, и одноцепочечные РНК. В цепочку РНК нуклеотиды соединяются путем образования связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Большую часть РНК составляет рибосомальная РНК - р-РНК (80%-90%), входящая в состав рибосом, расположенных в цитоплазме, она включает от

3 до 5 тысяч нуклеотидов. Молекулы информационной РНК - м - РНК могут состоять из 300-30000 нуклеотидов, на ее долю приходится до 5% всей РНК. Транспортные РНК (т-РНК) включают 75-95 нуклеотидов, их количество со­ставляет 5-10 %. Если рибонуклеиновые кислоты преимущественно располага­ются в цитоплазме, (от 3% до 7% р-РНК содержится в ядрышке ядра), то ДНК локализована в ядре, в цитоплазме она находится в митохондриях и хлоропла-стах растений.

Правило Чаргаффа.

Расстояние между нуклеотидами 0,34 нм, полный виток включает 10 нуклеотидов, его длина 0,34 нм х 10=3,4 нм, диаметр ДНК - 2 нм.

Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. В каждой отдельной цепи нуклеотиды соединяются между собой путем образований фосфодиэфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида, так как начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5¹, а у третьего атома углерода С-3¹ имеется гидроксильная группа, это позволяет выделить в ней направление 5¹—З¹ концы и данной цепи, в другой цепи ДНК фосфодиэфирная связь устанавливается в об­ратном направлении З¹→5¹, поскольку полинуклеотидные цепи антипаралельны 5¹ конец одной цепи соединяется с З¹ концом другой, и наоборот. Отноше­ние (А+Т)/(Г+Ц) специфично для каждого вида организмов (коэффициент специфичности), у кишечной палочки он составляет 0,43; у эукариот 1,50.

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру – одну полинуклеотидную цепь, вторичную – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями. Такое состояние обеспечивает прочную и относительную стабильность ДНК, а также сохранение равного расположения между нуклеотидами на всем протяжении молекулы ДНК. И третичная структура – трехмерная спираль ДНК. В одну молекулу ДНК может входить от 10⁶ до 10⁸ и более нуклеотидов, таким образом, ДНК — биополимер с очень большой молекулярной массой.

Как было отмечено выше, одним из свойств наследственного материала является его способность к самокопированию - репликации, или редупликации, что обусловлено особенностями химической организации молекулы ДНК, со­стоящей их двух комплементарных цепей. С помощью фермента геликазы двойная спираль расплетается и при участии фермента ДНК - полимеразы на каждой цепи материальной молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали, такой способ удвоение молекул, при котором каждая дочер­няя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

В 1958 г. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной био­логии, указав, что перенос информации протекает следующим образом: ДНК→ РНК→белок. В 1970 г. была открыта обратная транскриптаза X. Теминым и Д. Балтимором и догма приобрела следующий вид: ДИК↔РНК→белок.

Биосинтез белка - реализация наследственной информации (экспрессия генов)

Многообразие свойств белковых молекул определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. При биосинтезе белка в живых системах, в отличие от неживой природы, реализуется два ее фунда­ментальных принципа: 1) принцип коплементарности; 2) принцип матричности, который осуществляется при синтезе ДНК, всех видов РНК, при делении кле­ток, при биосинтезе белка.

Биосинтез белка делится на несколько этапов: транскрипцию и трансля­цию. Транскрипция - переписывание информации путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК молекулы м-РНК,последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеоти­дов матрицы - полипептидной цепи ДНК. Существуют механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информа­ция, фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза садится на ген промотор, и это пусковой механизм, начало транскрипции. РНК - полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК, две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них - смысловой, или кодогенной, фермент РНК-полимераза осущест­вляет синтез м-РНК (и-РНК).

Имеются и механизмы завершения транскрипции, точное переписывание идет до тех пор, пока РНК-полимераза не встречает кодоны - терминаторы транскрипции: УАА, УАГ, УГА - стоп-кодоны, к которым нет т-РНК. В этом участке РНК полимераза отделяется как от матрицы ДНК, которая восстанав­ливает двухцепочечную структуру, так и от вновь синтезированной м-РНК.

Трансляция - передача или перевод информации, заключенной в после­довательности нуклеотидов молекулы м-РНК в последовательность ами­нокислот полипептидной цепи.

У прокариот (бактерии и цианобактерии), не имеющих оформленного яд­ра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой м-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синте­за.

У эукариот м-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную обо­лочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой м-РНК. Кроме транспорта м-РНК к рибосомам эти белки защищают м-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов (комплекс м-РНК с белками в ядре носит название - информоферы, в цитоплазме заменяются белки и название комплекса м-РНК с белками - информосомы).

Для осуществления трансляции необходим процесс рекогниции - узнава­ние т-РНК своих аминокислот, он проходит в два этапа аминокислоты (А) ак­тивируется АТФ и узнающими ферментами (Е) - аминоацил т-РНК синтетазами. В цитоплазме существует целый набор таких ферментов, которые способны к пространственному узнаванию, с одной стороны, своей аминокислоты, а с другой - соответствующего ей антикадона т-РНК

I А+АТФ+Е→АДФ +АфЕ—аминоациладенилат (первый этап);

на втором этапе АфЕ (аминоациладенилат) соединяется с т-РНК (с ОН - груп­пой, находящейся на 3 — конце соответствующей т — РНК, а аминокислота при­соединяется своей карбоксильной группой), в итоге образуется аминоацил­аденилат т-РНК синтетаза.

Транспортные РНК имеют вид клеверного листа (тройчатый сложный лист), на черешке листа - акцепторный участок, содержащий семь пар основа­ний, имеется и одноцепочечный участок, который заканчивается последова­тельностью ЦЦА у всех т-РНК (а всего т-РНК в клетке более 60 видов, в связи с вырожденностью генетического кода), со свободной ОН - группой, к этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Противоположный участок акцепторому черешку листа содержит в центре петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные коду м-РНК, который шифрует аминокислоту, доставляемую т-РНК к месту синтеза белка. Таким образом,с помощью системы т-РНК язык нуклеотидной последовательности м-РНК транслируется в язык аминокислотной последовательности пептида.

Биосинтез белка происходит на полирибосомах. Информационная матричная-РНК проходит по борозде (желобок) между двумя субчастицами рибосом. Полирибосома предоставляет собой м-РНК с нанизанными на ней рибосомами. Рибосомы про- и эукариот очень сходны по структуре и функциям. Они состоят из 2-х субчастиц большой и малой. У эукариот малая субчастица образована одной молекулой р-РНК и 33 молекулами разных белков. Большая субчастица объединяет три молекулы р-РНК и около 40 белков. Прокариотические рибо­сомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов.

Рибосомы формируются в ядрышке ядра, но обе субчастицы соединяются при участии катионов Mg только во время синтеза белка.

В рибосомах имеются две бороздки, в одной из них располагается м-РНК, в другой удерживается растущая полипептидная цепь. Кроме того, в рибосомах выделяют два участка, связывающих т-РНК: 1) А - участок аминоацильный, где размещается аминоацил - т-РНК, несущая определенную аминокислоту; 2) П -участок пептидильный, в котором происходит сборка аминокислот, соединен­ных пептидными связями.

Через одну рибосому в данный момент проходит сегмент м-РНК протя­женностью 30 или более нуклеотидов, но считывается только два триплета двумя т-РНК, расположенные рядом с м-РНК. В ходе трансляции можно выде­лить три фазы: 1) инициация (начало синтеза пептида); 2) элонгация (наращи­вание полипептидной цепи); 3) терминация (завершение синтеза пептида), для инициации трансляции нужен инициирующий кодон-АУГ, несущий информацию об аминокислоте - метионин.

Соответственно антикодон т-РНК, несущий метионин к рибосоме, должен представлять собой УАЦ.

Антикодон инициаторный т-РНК (УАЦ) позволяет малой субчастице при­соединиться к старт-кодону АУТ м-РНК, после чего происходит соединение большой и малой субчастиц и формируется функциональная рибосома. Затем молекула инициаторный т-РНК и связанный с ней метионин оказывается в П-пептидильном участке рибосомы. В А-участок рибосомы входит следующий код он м-РНК (например УУУ). За счет комплементарного спаривания нуклео­тидов кодона м-РНК - УУУ и антикодона т-РНК - ААА, аминокислота фенилаланин попадает в А-участок.

Таким образом, узнавание комплементарности кода м-РНК антикодону т-РНК происходит через малую субчастицу в ее А-участке. Посредством специ­ального фермента, находящегося в рибосоме, карбоксильная группа метионина (-СООН) присоединяется к аминогруппе фенилаланина (-NH₂) и образуется дипептид метионин (CO-NH-) фенилаланин, связанный с т-РНК фенилаланина. Затем кодон УУУ м-РНК переходит в П-участок, а А-участок освобождается для следующего кодона, рибосома прерывисто передвигается по м-РНК, т.е. сделает один шаг после встраивания аминокислоты с т-РНК в полипептидную цепь (либо скользит прерывисто сама м-РНК). В освобожденный А-участок по­ступает следующий кодон, например ГУГ, несущий информацию об аминокис­лоте валин.

Снова происходит спаривание кодона ГУГ м-РНК с антикодоном т-РНК -ЦАЦ, т.е. их комплементарное взаимодействие, в случае комплементарности между фенилаланином и валином образуется пептидная связь, фенилаланин те­ряет связь со своей т-РНК, образуется трипептид с т-РНК валина, а рибосома делает прерывистый следующий шаг, соответствующий одному кодону. Теперь следующий кодон м-РНК приходит в контакт с А-участком рибосомы, где он будет «опознан» специфически антикодоном т-РНК, с соответствующей здесь аминокислотой. И так считывается триплет за триплетом, т.е. происходит удли­нение пептида, фаза элонгации. Она включает в себя реакции от момента обра­зования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты.

Фаза терминации, или завершения синтеза полипептида прекращается ко­гда в А-участок рибосомы входит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА, как указывалось выше, к ним нет т-РНК. Особый белковый фактор освобожде­ния связывается со стоп-кодоном, попавшим в А-участок рибосомы. Прим этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода, и ее карбок­сильный конец отделяется от т-РНК.

В результате завершения пептидная цепь теряет связь с рибосомой, кото­рая распадается на две субчастицы. Таким образом, на рибосоме синтезируется первичная структура белковой молекулы, обусловленная пептидной или ковалентной взаимосвязью между аминокислотами. Для включения одной амино­кислоты в полипептидную цепь необходимо 3 молекулы АТФ. Сборка пептид­ной цепи у бактерий осуществляется с большой скоростью, зависящей от тем­пературы: при 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в 1 секунду, у эукариот эта скорость ниже и выражается в добав­лении двух аминокислот в 1 секунду.