Комплекс белков днк и рнк называют. Днк и гены

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

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

Репликация ДНК

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

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

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

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

Транскрипция

Следующий процесс – транскрипция. На нем остановимся подробнее.

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

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

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

Как происходит элонгация транскрипции?

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

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

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

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

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

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

Время, в которое мы живем, отмечено потрясающими переменами, огромным прогрессом, когда люди получают ответы на все новые и новые вопросы. Жизнь стремительно движется вперед, и то, что еще совсем недавно казалось невозможным, начинает претворяться в жизнь. Вполне возможно, что представляется сегодня сюжетом из жанра фантастики, скоро тоже приобретет черты реальности.

Одним из важнейших открытий во второй половине двадцатого столетия стали нуклеиновые кислоты РНК и ДНК, благодаря которым человек приблизился к разгадкам тайн природы.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты - это органические соединения, обладающие высокомолекулярными свойствами. В их состав входят водород, углерод, азот и фосфор.

Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером, который исследовал гной. Однако тогда его открытию не придали особого значения. Лишь позже, когда эти кислоты обнаружили во всех животных и растительных клетках, пришло понимание огромной их роли.

Существуют два вида нуклеиновых кислот: РНК и ДНК (рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты). Настоящая статья посвящена рибонуклеиновой кислоте, но для общего понимания рассмотрим также, что собой представляет ДНК.

Что такое

ДНК — это состоящая из двух нитей, которые соединены по закону комплементарности водородными связями азотистых оснований. Длинные цепи закручены в спираль, один виток содержит почти десять нуклеотидов. Диаметр двойной спирали составляет два миллиметра, расстояние между нуклеотидами - около половины нанометра. Длина одной молекулы порой достигает нескольких сантиметров. Длина ДНК ядра человеческой клетки составляет почти два метра.

В структуре ДНК содержится вся ДНК обладает репликацией, что означает процесс, в ходе которого из одной молекулы образуются две совершенно одинаковые - дочерние.

Как уже было отмечено, цепь складывается из нуклеотидов, состоящих, в свою очередь, из азотистых оснований (аденина, гуанина, тимина и цитозина) и остатка кислоты фосфора. Все нуклеотиды различаются азотистыми основаниями. Водородная связь возникает не между всеми основаниями, аденин, к примеру, может соединяться только с тимином или гуанином. Таким образом, адениловых нуклеотидов в организме столько же, сколько тимидиловых, а число гуаниловых равно цитидиловым (правило Чаргаффа). Получается, что последовательность одной цепочки предопределяет последовательность другой, и цепи как бы зеркально отражают друг друга. Такая закономерность, где нуклеотиды двух цепей располагаются упорядоченно, а также соединяются избирательно, называется принципом комплементарности. Кроме водородных соединений, двойная спираль взаимодействует и гидрофобно.

Две цепи разнонаправлены, то есть расположены в противоположных направлениях. Поэтому напротив трех"-конца одной находится пяти"-конец другой цепи.

Внешне напоминает винтовую лестницу, перилом которой является сахарофосфатный остов, а ступеньками — комплементарные основания азота.

Что такое рибонуклеиновая кислота?

РНК — это нуклеиновая кислота с мономерами, называющимися рибонуклеотидами.

По химическим свойствам она очень похожа на ДНК, так как обе являются полимерами нуклеотидов, представляющих собой фосфолированный N-гликозид, который выстроен на остатке пентозы (пятиуглеродного сахара), с фосфатной группой пятого углеродного атома и основания азота при первом углеродном атоме.

Она представляет собой одну полинуклеотидную цепочку (кроме вирусов), которая намного короче, чем у ДНК.

Один мономер РНК — это остатки следующих веществ:

• основания азота;
• пятиуглеродного моносахарида;
• кислоты фосфора.

РНК имеют пиримидиновые (урацил и цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Рибоза является моносахаридом нуклеотида РНК.

Отличия РНК и ДНК

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга следующими свойствами:

• количество ее в клетке зависит от физиологического состояния, возраста и органной принадлежности;
• ДНК содержит углевод дезоксирибозу, а РНК — рибозу;
• азотистое основание у ДНК — тимин, а у РНК — урацил;
• классы выполняют различные функции, но синтезируются на матрице ДНК;
• ДНК состоит из двойной спирали, а РНК — из одинарной цепи;
• для нее нехарактерны действующие у ДНК;
• в РНК больше минорных оснований;
• цепи существенно отличаются по длине.

История изучения

Клетка РНК впервые была открыта биохимиком из Германии Р. Альтманом при исследовании дрожжевых клеток. В середине двадцатого века была доказана роль ДНК в генетике. Лишь тогда описали и типы РНК, функции и так далее. До 80-90% массы в клетке приходится на р-РНК, образующих совместно с белками рибосому и участвующих в биосинтезе белка.

В шестидесятых годах прошлого столетия впервые предположили, что должен существовать некий вид, который несет в себе генетическую информацию для синтеза белка. После этого научно установили, что есть такие информационные рибонуклеиновые кислоты, представляющие комплементарные копии генов. Их еще называют матричными РНК.

В декодировании записанной в них информации участвуют так называемые транспортные кислоты.

Позже стали разрабатываться способы выявления последовательности нуклеотидов и устанавливаться структура РНК в пространстве кислоты. Так было обнаружено, что некоторые из них, которые назвали рибозимами, могут расщеплять полирибонуклеотидные цепи. Вследствие этого стали предполагать, что в то время, когда зарождалась жизнь на планете, РНК действовала и без ДНК и белков. При этом все превращения производились с ее участием.

Строение молекулы рибонуклеиновой кислоты

Почти все РНК - это одиночные цепи полинуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из монорибонуклеотидов — пуриновых и пиримидиновых оснований.

Нуклеотиды обозначают начальными буквами оснований:

• аденина (А), А;
• гуанина (G), Г;
• цитозина (С), Ц;
• урацила (U), У.

Они связаны между собой трех- и пятифосфодиэфирными связями.

Самое разное количество нуклеотидов (от нескольких десятков до десятков тысяч) входит в строение РНК. Они могут формировать вторичную структуру, состоящую в основном из коротких двуцепочных тяжей, которые образовались комплементарными основаниями.

Структура молекулы рибнуклеиновой кислоты

Как уже было сказано, у молекулы имеется однонитевое строение. РНК получает вторичную структуру и форму в результате взаимодействия нуклеотидов между собой. Это полимер, мономером которого является нуклеотид, состоящий из сахара, остатка кислоты фосфора и основания азота. Внешне молекула похожа на одну из цепей ДНК. Нуклеотиды аденин и гуанин, входящие в состав РНК, относятся к пуриновым. Цитозин и урацил являются пиримидиновыми основаниями.

Процесс синтеза

Чтобы молекула РНК синтезировалась, матрицей является молекула ДНК. Бывает, правда, и обратный процесс, когда новые молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты образуются на матрице рибонуклеиновой. Такое встречается при репликации некоторых видов вирусов.

Основой для биосинтеза могут служить также другие молекулы рибонуклеиновой кислоты. В ее транскрипции, которая происходит в ядре клетки, участвуют много ферментов, но самым значимым из них является РНК-полимераза.

Виды

В зависимости от вида РНК, функции ее также отличаются. Существуют несколько видов:

• информационная и-РНК;
• рибосомальная р-РНК;
• транспортная т-РНК;
• минорная;
• рибозимы;
• вирусные.

Информационная рибонуклеиновая кислота

Такие молекулы еще называют матричными. Они составляют в клетке примерно два процента от всего количества. В клетках эукариот они синтезируются в ядрах на ДНК-матрицах, переходя затем в цитоплазму и связываясь с рибосомами. Далее, они становятся матрицами для синтеза белка: к ним присоединяются транспортные РНК, которые несут аминокислоты. Так происходит процесс преобразования информации, которая реализуется в уникальной структуре белка. В некоторых вирусных РНК она к тому же является хромосомой.

Жакоб и Мано являются открывателями этого вида. Не имея жесткой структуры, ее цепь образует изогнутые петли. Не работая, и-РНК собирается в складки и сворачивается в клубок, а в рабочем состоянии разворачивается.

и-РНК несет в себе информацию о последовательности аминокислот в белке, который синтезируется. Каждая аминокислота закодирована в определенном месте при помощи генетических кодов, которым свойственны:

• триплетность — из четырех мононуклеотидов возможно выстроить шестьдесят четыре кодона (генетического кода);
• неперекрещиваемость — информация движется в одном направлении;
• непрерывность — принцип работы сводится к тому, что одна и-РНК — один белок;
• универсальность — тот или иной вид аминокислоты кодируется у всех живых организмов одинаково;
• вырожденность — известными являются двадцать аминокислот, а кодонов — шестьдесят один, то есть они кодируются несколькими генетическими кодами.

Рибосомальная рибонуклеиновая кислота

Такие молекулы составляют подавляющее большинство клеточных РНК, а именно от восьмидесяти до девяноста процентов от общего количества. Они соединяются с белками и формируют рибосомы — это органоиды, выполняющие синтез белков.

Рибосомы состоят на шестьдесят пять процентов из р-РНК и на тридцать пять процентов из белка. Эта полинуклеотидная цепь без труда изгибается вместе с белком.

Рибосома состоит из аминокислотного и пептидного участков. Они расположены на контактирующих поверхностях.

Рибосомы свободно передвигаются нужных местах. Они не очень специфичны и могут не только считывать информацию с и-РНК, но и образовывать с ними матрицу.

Транспортная рибонуклеиновая кислота

т-РНК наиболее изучены. Они составляют десять процентов клеточной рибонуклеиновой кислоты. Эти виды РНК связываются с аминокислотами благодаря специальному ферменту и доставляются на рибосомы. При этом аминокислоты переносятся транспортными молекулами. Однако бывает, что аминокислоту кодируют разные кодоны. Тогда переносить их будут несколько транспортных РНК.

Она сворачивается в клубочек, когда неактивна, а функционируя, имеет вид клеверного листа.

В ней различаются следующие участки:

• акцепторный стебель, имеющий последовательность нуклеотидов АЦЦ;
• участок, служащий для присоединения к рибосоме;
• антикодон, кодирующий аминокислоту, которая присоединена к этой т-РНК.

Минорный вид рибонуклеиновой кислоты

Недавно виды РНК пополнились новым классом, так называемыми малыми РНК. Они, скорее всего, являются универсальными регуляторами, которые включают или выключают гены в эмбриональном развитии, а также контролируют процессы внутри клеток.

Рибозимы также недавно выявлены, они активно принимают участие, когда кислота РНК ферментируется, являясь при этом катализатором.

Вирусные виды кислот

Вирус способен содержать либо рибонуклеиновую кислоту, либо дезоксирибонуклеиновую. Поэтому с соответствующими молекулами они называются РНК-содержащими. При попадании в клетку такого вируса происходит обратная транскрипция — на базе рибонуклеиновой кислоты появляются новые ДНК, которые встраиваются в клетки, обеспечивая существование и размножение вируса. В другом случае происходит образование комплиментарной на поступившей РНК. Вирусы белков, жизнедеятельность и размножение идет без ДНК, а лишь на основе информации, содержащейся в РНК вируса.

Репликация

В целях улучшения общего понимания необходимо рассмотреть процесс репликации, в результате которого появляются две идентичные молекулы нуклеиновой кислоты. Так начинается деление клетки.

В ней участвуют ДНК-полимеразы, ДНК-зависимые, РНК-полимеразы и ДНК-лигазы.

Процесс репликации состоит из следующих этапов:

• деспирализация — происходит последовательное раскручивание материнской ДНК, захватывающей всю молекулу;
• разрыв водородных связей, при котором цепи расходятся, и появляется репликативная вилка;
• подстройка дНТФ к освободившимся основаниям материнских цепей;
• отщепление пирофосфатов от дНТФ молекул и образование фосфорнодиэфирных связей за счет выделяющейся энергии;
• респирализация.

После образования дочерней молекулы делится ядро, цитоплазма и остальное. Таким образом, образуются две дочерние клетки, полностью получившие всю генетическую информацию.

Кроме этого, кодируется первичная структура белков, которые в клетке синтезируются. ДНК в этом процессе принимает косвенное участие, а не прямое, заключающееся в том, что именно на ДНК происходит синтез, участвующих в образовании белков, РНК. Этот процесс получил название транскрипции.

Транскрипция

Синтез всех молекул происходит во время транскрипции, то есть переписывании генетической информации с определенного оперона ДНК. Процесс в некоторых моментах похож на репликацию, а в других существенно отличается от нее.

Сходствами являются следующие части:

• начало идет с деспирализации ДНК;
• происходит разрыв водородных связей между основаниями цепей;
• к ним комплементарно подстраиваются НТФ;
• происходит образование водородных связей.

Отличия от репликации:

• при транскрипции расплетается лишь участок ДНК, соответствующий транскриптону, в то время как при репликации расплетению подвергается вся молекула;
• при транскрипции подстраивающиеся НТФ содержат рибозу, и вместо тимина урацил;
• информация списывается лишь с определенного участка;
• после образования молекулы водородные связи и синтезированная цепь разрываются, а цепь соскальзывает с ДНК.

Для нормального функционирования первичная структура РНК должна состоять только из списанных с экзонов ДНК-участков.

У только что образованных РНК начинается процесс созревания. Молчащие участки вырезаются, а информативные сшиваются, образуя полинуклеотидную цепь. Далее, каждый вид имеет присущие только ему превращения.

В и-РНК происходит присоединение к начальному концу. К конечному участку присоединяется полиаденилат.

В т-РНК модифицируются основания, образуя минорные виды.

У р-РНК также метилируются отдельные основания.

Защищают от разрушения и улучшают транспортировку в цитоплазму белки. РНК в зрелом состоянии с ними соединяются.

Значение дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты имеют огромное значение в жизнедеятельности организмов. В них хранится, переносится в цитоплазму и передается по наследству дочерним клеткам информация о белках, синтезирующихся в каждой клетке. Они присутствуют во всех живых организмах, стабильность этих кислот играет важнейшую роль для нормального функционирования как клеток, так и всего организма. Любые изменения в их строении приведут к клеточным изменениям.

Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трёх видов рибонуклеиновых кислот (РНК): информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНк и транспортной тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеет значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырёх азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин, урацил. Азотистое основание – урацил - комплементарно аденину.

Процесс биосинтеза включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.

Первый этап называется транскрипцией. Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определённого гена молекулы ДНК синтезируется мРНк. В синтезе участвует комплекс ферментов, главным из которых является РНК-полимераза.

Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК- полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них идёт синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементраности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5’-конца к 3’-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3’-концом. Такую цепь называют кодогенной.

Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК.

Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет точное постепенное переписывании информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется как от матрицы ДНК, так и вновь синтезированной мРНК. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции – транскриптон.

Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Например, в одном гене –участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывароточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от 200 до 1000 пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому пор-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. Созревание, или процессинг, мРНК предполагает модифицирование первичного транскрипта и удаление из него некодирующих интронных участков с последующим соединением кодирующих последовательностей – экзонов. В ходе процессинга из про-мРНК специальными ферментами «вырезаются» интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.

Значение и функции интронов до сих пор ещё не совсем выяснены, но установлено, что если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем – до 5600, 4850, 3800, 3400 и т.д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипетид.

Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участи тРНК.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 75-95 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую лист клевера. В ней выделяют четыре части, которые имеют особо важное значение. Акцепторный «стебель» образуется путём комплементарного соединения двух концевых частей тРНК. Он состоит из 7 пар оснований. 3’-конец это стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН группой – акцепторный конец. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей – антикодоновая – состоит из 5 пар и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон – это 3 нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.

Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания - дигидроуридин (D-петля) и триплет Т ᴪС, где ᴪ - псевдоуридин (Т ᴪС-петля). Между антикодоновой и Т ᴪС-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов.

Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует её активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.

Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30*30*20 нм, у эукариот – 40*40*20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерий кишечной палочки рибосома имеет величину 70S и состоит из 2 субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64% рибосомальной РНК и 36% белка.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – АУГ -. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, её антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединённых в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией, её рост – элогацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов – терминаторов – УАА -, - УАГ – или – УГА -. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.

Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в 2-3 раза быстрее.

Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК.

Биосинтез белка (трансляция) – важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Иными словами, трансляция – это перевод четырех буквенного (по числу нуклеотидов) «языка» нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный (по числу протеиногенных аминокислот) «язык» белков. Перевод осуществялется в соответствии с правилами генетического кода.

Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М. Ниренберга и Дж. Маттеи, а затем С. Очоа и Г. Кораны, начатые ими в 1961г. в США. Они разработали метод и экспериментально установили последовательность нуклеотидов в кодонах мРНК, контролирующих местоположение данной аминокислоты в полипептидной цепи. В бесклеточную среду, содержащую все аминокислоты, рибосомы, тРНК, АТФ и ферменты, М. Ниренберг и Дж. Маттеи вводили искусственно синтезированный биополимер типа мРНК, представляющий собой цепочку одинаковых нуклеотидов – УУУ –УУУ –УУУ – УУУ - и т.д. биополимер кодировал синтез полипептидной цепи, содержащей только одну аминокислоту – фенилаланин; такая цепь называется полифенилаланином. Если мРНК состояла из кодонов, содержащих нуклеотиды с азотистым основанием цитозин – ЦЦЦ – ЦЦЦ – ЦЦЦ – ЦЦЦ - , то синтезировась полипептидная цепь, содержащая аминокислоту пролин, - полипролин. Искусственные биополимеры мРНК, содержащие кодоны – АГУ – АГУ – АГУ – АГУ - , синтезировали полипептидную цепь из аминокислоты серин – полисерин и т.д.

Обратная транскрипция.

Обратная транскрипция - это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.

Обратная транскриптаза (ревертаза или РНК-зависимая ДНК-полимераза) - фермент, катализирующий синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией.Обратная транскрипция необходима, в частности, для осуществления жизненного цикла ретровирусов, например, вирусов иммунодефицита человека и T-клеточной лимфомы человека типов 1 и 2. После попадания вирусной РНК в клетку обратная транскриптаза, содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь.ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.

Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам.В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5"-конце имеется Сap, на 3"-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой.

Геном ретровируса содержит 4 гена:gag-белок нуклеоида,pol-обратная транскриптаза,env-белок капсида (оболочки),онкоген.str5 = str3-короткий концевой повтор;U5, U3-уникальные последовательности,PB (primer binding site) - участок связывания затравки.На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК.Синтезируется небольшой кусок ДНК.

Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3"-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК.

Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная.

Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам.

Некоторые вирусы (такие как ВИЧ, вызывающий СПИД), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединено с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированый фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы

В 1975 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга открыли обратную транскрипцию. Оказалось, что существует фермент ревертаза, который синтезирует ДНК на матрице РНК. Они за это открытие получили Нобелевскую премию.

Еще одно открытие, касающееся нашей темы (и тоже удостоенное Нобелевской премии), было сделано в 1989 году Сидней Олтменом и Томасом Чеком. Оказалось, что РНК может выполнять ферментативную функцию. Олтмен и Чек установили, что молекула РНК сама способна «откусить» от себя кусочек, и для этого ей не нужны никакие белки.. Потом были найдены другие, более сложные формы каталитической активности РНК. РНК-ферменты были названы рибозимами (по аналогии с белковыми ферментами, энзимами). Надо отметить, что ДНК также может работать как дезоксирибозим, но таких экспериментов гораздо меньше, чем экспериментов с рибозимами.

Остановимся еще раз на взаимодействии белков и РНК, в частности, об обеспечении происходящих в клетке процессов.

Надо сказать, что РНК работают несколько медленнее белков, а в некоторых ферментах РНК выполняют основную работу, а белки ей помогают, то есть без белков она выполняет свою работу гораздо хуже, но тем не менее может работать и без белков. Когда были открыты рибозимы, ученые – биологи стали ставить РНК в центр размышлений о происхождении жизни и о ранних этапах эволюции жизни. Во-первых, РНК – нуклеиновая кислота, которая может образовывать комплементарные связи, то есть ее можно реплицировать. Есть вирусы, содержащие РНК, которая реплицируется, у этих вирусов есть специальный фермент РНК-репликазы. То есть РНК может выполнять функцию репликации, ферментативную также может выполнять, то есть она может работать как РНК-геном и как РНК-фермент.

Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. Сейчас это считается во многих учебниках общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту способность?

Гипотеза РНК-мира не говорит о самом начале возникновения живых молекул на Земле, она говорит о следующем этапе эволюции, когда биомолекулы существуют, существуют какие-то процессы, но мир еще не такой, как сейчас, к которому мы привыкли. ДНК в том мире еще нет, белков, видимо, тоже нет, хотя аминокислоты и олигопептиды уже есть, нет процесса трансляции, зато есть процесс транскрипции, только РНК не на ДНК синтезируется, а на РНК. Есть РНК-геном, на котором синтезируется рабочая молекула РНК-фермента. Некоторые авторы, пытаясь реконструировать особенности этого мира предполагают, что тРНК – это реликт РНК-мира, и что РНК-геном был похож на тРНК. Молекулы тРНК участвуют не только в биосинтезе белков в качестве переносчиков аминокислот, но участвуют и в других процессах, в том числе и регуляторных. Предполагают, что три нуклеотида, которые располагаются в антикодоне, были меткой для генома, а в рабочей молекуле РНК этих нуклеотидов не было. Рабочие копии молекул РНК могли разрушаться во время работы, и их не надо было использовать для репликации. РНК-геном с меткой являлся матрицей для синтеза множества рабочих молекул, а когда надо реплицировать РНК, то по этой метке узнают, какую именно молекулу надо реплицировать, образуется копия вместе с меткой и уже с этой метки образуется новая геномная РНК. Подчеркнем, что это только гипотеза и доказать пока что ее нельзя, хотя есть некоторые указания на то, что такие процессы могли идти.

Следующий появившийся процесс – трансляция. На РНК начали синтезироваться белки и есть множество гипотез, как и почему это произошло и почему это было выгодно. Считают, что последней появилась ДНК. Так как РНК менее стабильна, ДНК стала выполнять функции генома, а РНК сохранила только часть функций, которые имела в РНК-мире. ДНК-копии молекул РНК могли возникнуть в процессе обратной транскрипции. Но для того, чтобы считать информацию с ДНК, должен был появиться процесс транскрипции. Возможно, сначала для репликации ДНК требовалось перевести ее в РНК-овую копию, а потом путем обратной транскрипции синтезировать новую ДНК. Но на каком-то этапе должна была появиться репликация ДНК без РНК-посредника. Правда, совесем без РНК до сих пор обойтись не удается – напомню, что ДНК-полимеразе для инициации синтеза ДНК требуется РНК-затравка.

Предполагаемый порядок появления функций живого такой: каталитические функции рибозимов и репликация РНК, затем добавляется трансляция, затем добавляется обратная транскрипция и транскрипция РНК на ДНК, после этого ДНК-репликация. Позже всего возникла компактизация ДНК (напомню, мы говорили на одной из лекций о белках-гистонах и нуклеосомах, которые выполняют обеспечивают компактизацию в эукариотической клетке). Компактизация ДНК позволила увеличить размер генома.

Интересно заметить, что, так как во всех ныне живущих организмах от бактерий, вирусов и до человека используется один генетический код и основные метаболические процессы сходны. Считают, что все ныне живущие организмы произошли от одного общего предка. Общим предком считается коллекция клеток и субклеточных структур. Точнее было бы сказать, что общий предок представлял коллекцию метаболических процессов и катализаторов, их регулирующих.

Этот общий предок, имевший все основные системы современных организмов (ДНК, РНК, белок), называется прогенот (прародитель). Далее пошла эволюция, которую более понятно, как изучать. На счет того, что было до этого, можно строить только гипотезы, но гипотезы эти должны быть обоснованы. Например, есть работы, в которых пытаются реконструировать метаболизм РНК-мира. Как это делают? В начале изучают метаболические процессы современной клетки и пытаются в них найти реликты РНК-мира. То есть если представить, что существовал РНК-мир, то современный метаболизм был «написан» поверх того, который существовал тогда. Например, мы знаем, что АТФ работает как донор фосфора, но донором фосфора могут быть и другие молекулы. Зачем же тогда сохранять молекулу, содержащую рибонуклеиновую часть? Предполагают, что это как раз реликт РНК-мира. Не только АТФ имеет функции, параллельные с другими веществами, но и множество рибонуклеиновых ко-факторов, то есть соединений, участвующих в ферментативных реакциях, служащих посредниками, "помощниками" в работе ферментов. Например НАДФ – никотинамид динуклеотидфосфат и др. Если какие-то процессы идут с участием ко-факторов, в состав которых входит кусочек РНК, и такие же процессы могут идти в других организмах или в других частях клетки без участия этого рибо-кусочка, то есть есть другой донор фосфорной группы или донор метильной группы, то предполагают, что там, где ко-фактор с РНК-составляющей есть реликт РНК-мира. И, проделав такой анализ, нашли процессы, которые могли быть представлены в РНК-мире. Интересна такая особенность, что синтез жирных кислот, предположительно, не был представлен в списке таких процессов, ведь для этого нужны обязательные белковые компоненты, которых тогда не было.

Интересен вопрос, занимался ли рибо-организм кислородным фотосинтезом? Ведь кислород появился в атмосфере 2 млрд. лет назад, произошло изменение бескислородной атмосферы на кислородную. Если реконструкция покажет, что в рибо-организме мог идти кислородный фотосинтез, то это означало бы, что рибо-организмы жили 2-3 млрд лет назад, а в это время уже есть вполне заметные следы прокариотических клеточных структур в осадочных породах, и тогда можно предположить что их оставили не ДНК-овые организмы, а РНК-овые.

Мы говорили об этапах развития жизни на земле, говорили, что сначала появились прокариоты, затем эукариоты, многоклеточные, затем социальные организмы, затем человеческое общество. Иногда задают вопрос: а почему бактерии еще существуют? Почему более совершенные организмы (эукариоты) не вытеснили прокариот. На самом деле эукариоты не могут жить без прокариот, ведь эукариоты возникли на Земле, где уже жили бактерии, они встроены в эту систему. Эукариоты едят бактерий, потребляют то, что сделали бактерии, они приспособлены именно к жизни, которую им создали бактерии. Если прокариот убрать, то рухнет фундамент жизни на Земле. Каждый новый, более сложный интегративный уровень жизни возникал на основе уже сложившейся предшествующей системы, приспосабливался к ней, и без нее существовать уже не мог.

Разнообразие бактерий велико, они используют очень разные химические реакции как источники энергии. По существу в современной биосфере все геохимические циклы контролируются в основном бактериями. Сейчас они ведут некоторые ключевые реакции, например, цикл железа, цикл серы, фиксацию азота. Никто, кроме бактерий, не может из атмосферы достать азот и включить в состав собственных молекул.

ДНК и-РНК Белок

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в и-РНК.

• Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в и-РНК.

1. Код триплетен : каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном.

2. Избыточность (вырожденность)

2. Избыточность (вырожденность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Аланин:

ГЦУ

ГЦЦ

ГЦА

ГЦГ

СЛЕДУЮЩЕЕ СВОЙСТВО:

3. Код однозначен:

3. Код однозначен: каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

4. Неперекрываемость : последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов.

5. Полярность

• Стоп – кодоны: УАА, УГА, УАГ.

6. Полярность (между генами имеются «знаки препинания»):

6. Полярность (между генами имеются «знаки препинания»):

• Стоп – кодоны: УАА, УГА, УАГ.

• Кодон – инициатор: АУГ - начинается синтез любого полипептида.

7. Универсальность: генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли .

Итак, последовательность триплетов в цепи ДНК определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле .

ГЕН- это участок молекулы ДНК , кодирующий первичную структуру одной полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза

Транскрипция

Транскрипция - процесс синтеза молекулы информационной (матричной)РНК на матрице ДНК.

Трансляция – процесс синтеза белка на матрице и–РНК, осуществляется рибосомами.