Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В генетическом материале эукариот находятся неинформативные учас­тки – интроны , которые между между информативными - экзонами . Лнтроннс-экзонная организация генов у эукариот опреде­ляет необходимость преобразования первичного транскрилта (пре-информационной РНК"- продукта транскрипции) в зрелую и-РНК. Она долина быть освобождена от неинформативных участков и защи­щена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.

Кроме того, у эукариот появляется ядерная мембрана, кото­рая чространственно разобщаем место хранения генетической ин­формации (хромосомы, находящиеся в ядре) и место синтеза пеп­тидной цепи (рибосомы, находящиеся в цитоплазме). Иными словами, у эукариот процессе транскрипции и траслятши оказываются разоб­щенными как пространственно (ядерной обо.. 1кой), так и во време­ни (процессами созревания и-РНК).

Таким образом в ходе реализации наследственной информации" у эукариот могло выделить следующие этапы:

а) транскрипция

б) посттранскрипционные процессы (процесскнг)

в) трансляция

г) посттрансляционные процессы. <*

"а" и "б" протекают в ядре, "в" и "г" протекают в цитоплазме.

Транскрипция - процесс.переписывания информации, зашифрованной в молекуле дНК на молекулу и-РНК - осуществляется при участии фер­мента РНК-полимеразы. Этот фермент катализирует оборку И--РИК в направлении от 5" к 3* концу. Транскрипция осуществляется в со­ответствии с принципами комплементарности и антилараллеяькости. Вот почему она мо&ет происходить на одной из двух полпнуклеотидных цепей дНК, а именно, на той, которая начинается с З г конца, с"; а цепь называется кодогенной.

транскрипция иРНК

кодогенная (матричная)цепь ДНК

структурная часть гена

В участке у молекулу аНК, соответствущем отдельному гену, перед структурной часть©, в которой зашифрована последовательнооть "аминоквслот. в--пептиде, осязательно располагается последователь-:юсть нуклеотидов, узнаваемая РПК-полимеразой. Такая последова­тельность называется промотором .

РНК-пслимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после зтого, двигаясь вдоль молекулы дКК, обеспечивает посте­пенную сборку молекулы и-РНК в соответствии с принципами комп-лементарности и антипараллельности. В конце структурной части гена расположен участок с особой последовательностью нуклео­тидов -»те-рмилатор » Он обязательно включает один из нонсенс-триплетов ^.нв кодирующих аминокислоты.

В результате транскрипции синтезируется молекула пре-ин-формационной РНК.

Посттраяскршплонные пропеосы (птюцессинг ) - это превращения, происходящие с первичным траыскриптом, направленные на образо­вание зрелой, стабилизированной и-РНК, способной выполнять функцию матрицы при тг^сяяции, и защищенной от рагрушащвго воздействия специфических ферментов цитоплазмы.

Основные стадии щхщессинта :

а) отщепление концевых участков первичного транскрипт^:

б) формирование на 5" конце колпачка, состоящего из особой пос­ледовательности нуклеотидов;

в) формирование на 3* конце полиадениловой последовательности нуклеотидов А А А А ;

г) метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК;

д) вырезание неинформативных участков, соответствующих интронам дНК и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзокам

В результате процессинга у эук*>риот образуется зрелая и-РНК, ха­рактеризующаяся следующими особенностями строения:

Колпачок - особая последовательность нуклеотидов с метили­рованными основаниями, которая обеспечивает узнавание малых субъедгошц рибосом.

Лидер - вводная последовательность нуклеотидов, комплемен­тарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъединиц:; рибосомы, которая обеопечивает прикрепление и-РЙК к малой субъединице.

Стартовый кодон - триплет нуклеотидов, кодирующий в боль­шинстве случаев аминокислоту формилметионин (АУЛ.

Кодирующая часть - последовательность кодонов, шифрутщих определенную последовательность аминокислот в соответствующей пептидной цепочке.

Трейлер - концевая часть молекулы и-РНК, включающая нок-сенс-кодон и поли-А последовательность.

Трансляция - процесс сборки пептидной цепи, происходящий в ци­топлазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в и-РНК.

8 467k 27 *

Основные сазн тргнслятзгл : инициация

элонгация

терминация Инициация трансляции предполагает ел едущие события:

а) с помогая колпачка и-РНК находит в цитоплазме малую субъеда-

НЕПУ рибОСОМЫ,

б) с помощью лкдерной последовательности устанавливается связь „ с комплементарным участком определенно! 5 фракции р-РНК и

и-РНК прикрепляется к \:алой субъеднннце, ») к стартовому кодону (АУТ) присоединяется т-РНК, несущая

формилиетгокин, р) малая субъедикица ассоциируется с большой субъединицей,в «й

ноацильном центре (АЦ) которой располагается формилметшнин.

Таким образом фаза инициации завершается формированием комп­лекса и-РНК и рибосомы и подстановкой начальной для всех пеп­тидных цепей аминокислоты - формилметионина.

Раза элонгации , т.е. нарастание пептидной цепи, осуществляет­ся путем постепенной подстановки аминокислот в соответствии с очередным ко доном и-РНК, который встает против аминоацильного центра.

К этому кодону присоединяется соответствущая т-РНК, имещая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоадкльном центре (АЦ), Т-РНК, соединенная с предыдущим ко доном, оказывается в пеп-тидильяом центре (ГЩ), где располагает свою аминокислоту (це­почку аминокислот). Между двумя аминокислотами, расположенны-ми в пептидильноы и аминоадкльном центре, при участии имею­щихся здесь ферментов возникает пептидная связь -с.-//- После установления пептидной

пептидная связь связи предыдущая т-РНК отделяет­ся от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплаз­му» а последующая т-РНК, нагруженная цепочкой аминокислот, пе­реходит в ВД, заставляя и-РНК перемещаться вдоль рибосомы и ус­танавливать новый кодон против АЦ.

После прохождения через рибосому всей кодирующей части и-РНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последователь­ностью аминокислот.

Фаза термикацид наступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок и-РНК, который включает нонсенс-триплет, не ко-дируший никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается.По мере освобождения 5» пептидная связь конца и-РЖ, колпачок может нахо­дить новые малые субъедини цы рибосом и пу f ,ecc трансляции мо­жет повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибо­сом, находящихся в контакте с одной молекулой и-РНК и синтези­рующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (по-лисомой).

Посттрансляционные процессы

В ходе предыдущих этапов реализации наследственной инфор­мации обеспечивается синтез пептидной цепа, котбрая в боль­шинстве случаев начинается с аминокислоты формияметЕон.;с; и со­ответствует первичной структуре белковой молекулы. Последую­щие события заключаются в отщеплении форыилметионинс. в неко­торых случаях осуществляется моди^Ецировакие пептида после трансляции, формируется вторичная и третичная структура белка. Иногда для некоторых белков, характеризующихся четвертичной структурой, осуществляется объединение одинаковых,либо различ­ных лептидных цепей с образованием активно функционгрущего белка.

В зависимости от того, каковы функции белка (фермент, строительной материал, антитело и т.д.), он принимает участие в обеспечении морфо--функциональ1шх особенностей клетки (ojv^

ганжзма), т.е. в формировании определенных сложных признаков.

Это является завершающим этапом процесса реализации гене­тической информации.

3.5. Регуляция генной активности

Реализация наследственной информации в живых системах - это сложный процесс, требующий очень тонкой регуляции #*я того, что-"бы обеспечить в определенных клетках в -определенное время син­тез определенных белков а необходимом количестве.

Все клетки организма, возникая путем митоза, получают пол­ноценный набор генетической информации, образуемый при оплодот­ворении родительских гамет. Нес- ыотря на это, они отличаются по своим морфологическим, биохимическим и функциональным свойствам друг от друга. В основе этих различий лежит активное функциони­рование в разных клетках разных частей генома.

Большая часть генома в клетках opi-анизма находится в неак­тивном состоянии - репрессивном состоянии, и только приблизи­тельно 1055 генов ^репрессированы . т.е. активно транскрибируют­ся. Спектр транскрибируемых генов зависит от тканевой принад­лежности клетки, от периода ее жизнедеятельности и периода ин­дивидуального развития организма.

Регуляция активности генов может осуществляться на всех этапах реализации генетической информации, но наиболее экономи­чески выгодной является регуляция на стадии транскрипции.

Основная масса генов, активно функциснирующих в большинст­ве клеток организма на протяжении онтогенеза, - это гены, кото­рые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, хромосом, мембран я т.д.), т-ГЯК и р-РНК. Транскрибирование этих с т р ук т ур ных генов обеспечивается соединением РНК-полимеразы с их промоторами и не подчиняется каким-либо другим регулирую­щим воздействиям. Такие гены называются конститутивными , другая группа структурных генов, обеспечивающих синтез некоторых бел­ков-ферментов, в своем функционировании зависит от различных регулирующих факторов и называете п регулируемыми генами. Их ак­тивное функционирование, скорость и продолжительность транскри­бирования могут регулироваться как генетическими факторами, так ж факторами негенетической природы. - . Генетическими факторами регуляции тг*шскридцни генов явля-

ются гены - регуляторы и операторя г Гены-регуляторы определяют синтез ^.яков-регуляторов, способных в активном состоянии соеди­няться с оператором, включающим или выключающим транскрипцию структурных генов. В зависимости от свойств белка-регулятора раз­личают негативный и позитивный контроль транскрипции со стороны гена-регулятора. При негативном контроле белок-регулятор, соеди­няясь с оператором, прекращает (выключает) транскрипцию. Такой белок называется репрессором . При позитивном контроле белок-регу­лятор, соединяясь с оператором, включает транскрипцию. В таком случае продукт гена-регулятора называется апоиндуктором .

Таким образом наряду со структурными генами в геноме имеются ге­ны-регуляторы, которые, обеспечивая репрессию или дерепрессию с трук т ур ных генов, регулируют процессы синтеза в клетке.

Наряду о генетическими факторами в регуляции экспрессии ге­нов важная роль принадлежит факторам негенетической природы - эф­фекторам . К ним относятся вещества небелковой природы, расщепляе­мые или синтезируемые в клетке при участии разд-^ых ферментов.

В аавксжмостн от того, как эффектор воздействует на активность генов, различают индукторы ,включапзие транскрипцию генов, и ко-репрессоры . выключающие ее. действие эффектора заключается в его взаимодействии с белком-регулятором, при котором он либо акти­вируется и может соединяться с оператором, либо инактиви 1: ? этся в теряет способность соединяться с оператором.

Таким образом экспрессия генов является результатом регу­лирующего воздействия на процессы транскрипции как со стороны самсго генома (гены - регу, тторы и операторы), так и со стороны факторов вегеяетической природы.

Регуляция транскрипции у прокариот

Езучениб регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции у прокариот привело в созданию в 1961 г. модели оперона (1акоб и Моно).

Оперся - это тесно связанная последовательность ст рук т ур ных ге­нов, определяющих синтез группы ферментов д*." ,<акой-либо одной цепи биохимических реакций и регулирующаяся как едино„ целое.

Модель оперона структурные гены

Особенностью прокариот является транскрибирование и-РНК со всех структурных генов оперона. Такал полицистронная и-РНК в даль­нейшем разрезается на фрагменты, соответствующие матрицам для синтеза отдельных ферментов. Цепи структурных генов оперона всегда предшествует промотор, узнаваемый РНК-полимеразой. 7 конститутивных гонов этого достаточно для осуществления транс­крипции. У регулируемых генов между промотором и структурнши генами располагается оператор - последовательность нуклеотидов, которая узнается белком-регулятором, находящимся в активном состоянии. Пример функциовдрования, актозного оперона 6..Сое/

При отсутствии в среде лактозы активнг" репрессор, взаимо­действуя с оператором, репрессирует гены ABC - транскрипции нет. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соеди­няется с оператором, и осуществляется транскрипция генов ABC,

отвечающих за синтез ферментов, которые расщепляют лактозу.

Пример негативного контроля функции лактозного оперона у E.coli

Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к соединению активного репрессора с опера­тором и выключению транскриЕции генов АЗС. Особенности регуляции транскрипции у эукариот

°У эукариот оперонная организация генов не установлена. Ге­ны, определяющие синтез "ферментов, кателизиружих разные звенья в цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме, и, возможно, не имеют/как у прокариот, един^ регулирующей систе­мы (г? -^г.лятор, промотор, оператор). Ь настоящее время ме­ханизмы регуляции и координафя активности таких генов оконча­тельно не выяснены. Однако их функционирование несомненно под­чиняется регуляторным воздействиям как внутри клетки (гены-ре­гуляторы), так и на уровне организма (гормона).

Помимо регуляции экспрессии генов на стадии тралс:ср:гп::ии, она может осуществляться и при процессинге (обсуждается роль нитронов) и в ходе трансляции и поеттрасляционнылг модификаций белков.

Несмотря на то, что регуляция на поздних этапах реализа­ции наследственной информации экономически менее выгодна клет­кам, она обеспечивает наиболее быстрый ответ на воздействие регулирующих факторов. Например прекращение трансляки/ пептид­ной цепи сразу дает эффект по сравнению с прекращение".! транс­крипции соответствующего гена, так. как синтезированные молеку­лы и-РНК еще некоторое время после окончания транзхряппда обес­печивают в цитоплазме сборку пептидной цели. В совокупности все механизмы регуляции генной активности, обеспечивает произ­водство бглков в необходимом и достаточном в данный момент количестве.

Принципиально важным свойством генетической информации является ее способность к переносу (передаче) как в пределах одной клетки, так и от родительской клетки к дочерним либо между клетками разных индивидуумов в процессах клеточного деления и размножения организмов. Что касается направлений внутриклеточного переноса генетической информации, то в случае ДНК-содержащих организмов они связаны с процессами репликации молекул ДНК, т. е. с копированием информации, либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов

(трансляцией) (рис. 5.15). Каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.

Рис. 5.15.

Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК -? РНК -+ белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации («специализированный перенос»), обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции у при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы {ревертазы) у кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно, специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК->ДНК->РНК-?белок.

Транскрипция - первый этап общего переноса генетической информации, представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК по программе ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3"->5 переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5*-?З* на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК риб о нуклеотидам РНК (A-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 5.16). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке: матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосом- ные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).

Рис. 5.16.

Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК - 5SPHK.

Транскрипция подразделяется на три основные стадии: инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса).

Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5-ТАТААТ-З" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 нуклеотидов и распознается

РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность прокариот (5-ТТГ.АЦА-3") обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.

Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы однонитевого 3"-5"-фрагмента ДНК.

Элонгация. Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора.

Терминация - процесс прекращения репликации ДНК, происходящей посредством терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и более поли- пептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейссры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзон- ные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо про-матричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В качестве примера можно рассмотреть схему процессинга мРНК, синтезируемой при транскрипции гена р-глобиновой цепочки (рис. 5.17).

Рис. 5.17.

В процессинге принимают участие и короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностями на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и гяРНК способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания интронов из гяРНК.

Во время процессинга происходит также модификация 5 - и З"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах процессинга гена р-глобина человека (рис. 5.17) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса (рис. 5.18).

Рис. 5.18.

На 5’-конце последовательности (рис. 5.18) имеется короткий не- транслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком «минус». Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона р-гена (заштрихована на рис. 5.17). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap - колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-мстил|-уанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью трифосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК р-глобинового гена человека начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУТ) выделен шрифтом и помечен цифрой 0, поскольку кодируемая им аминокислота (метионин) в дальнейшем выщепляется из полипептида (первой аминокислотой зрелого белка будет валин, кодируемый ГУГ). Выделены также стоп-кодон УАА (кодон 147), на котором заканчивается трансляция (полипептид состоит из 146 аминокислот), и сигнальная последовательность для полиаденилирования (ААУААА) на З’-конце.

Модификация З"-конца мРНК Р-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона p-гена (рис. 5.17), связана с образованием поли- аденилового (поли А) «хвоста» молекулы, состоящего из 100-200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, нс нужна матрица, но требуется присутствие на З"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (рис. 5.18). Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды.

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5 е -?З*)- Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т. е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации трансляции принципиально важное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются две структурные субъединицы (большая и малая ), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т. е. по коэффициенту седиментации (величине 5). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с величинами 505 и 305 соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы имеют другие размеры (605 и 405). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то чаще всего его рассматривают в связи со структурой рибосом этих организмов. Рибосома содержит два участка (рис. 5.19), имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенных как А -участок (аминоацильный) и P-участок (пептидильный), специфичность которых определяется сочетанием соответствующих областей субъединиц 505 и 305. При диссоциации субъединиц рибосомы эти участки становятся «недостроенными», что приводит к изменению их функциональной специфичности.

Рис. 5.19.

Р - пептидильный участок; А - аминоацильный участок

В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на З"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 5.6). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии аденозинтрифос- фатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс тРНК и аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Инициация трансляции обеспечивается точным соединением лидирующего 5-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в «недостроенном» P-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУТ этой молекулы (рис. 5.20, а). Функциональная особенность такого Р-участка состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил- тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез полипептида всегда начинается с Анконца и нарастаег в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с TV-метионина. Однако в дальнейшем эти аминокислоты ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 5.18).

Рис. 5.20. Начальные этапы трансляции: а - инициирующий комплекс; б, в- элонгация

После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» Л-участке (рис. 5.20) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р -участка и Л-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать /4-участок на основе принципа комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (рис. 5.20, б, в).

Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"-?З", сопровождаемое отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из Л-участка в Р-участок, а освободившийся /4-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в P-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в /4-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5-конец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой полисомной группы, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.

Посттранашционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходят процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы (рис. 5.21). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

Рис. 5.21.

Рис. 5.22.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной структуры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека (рис. 5.22), состоящей из двух а-цепочск и двух (J-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей.

Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

Сложившиеся представления о внутриклеточном переносе генетической информации по схеме ДНК->РНК->белок, предложенной Ф. Криком, принято называть «центральной догмой » молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как общий перенос, известна и другая форма реализации генетической информации (специализированный перенос), обнаруженная при инфицировании клетки РНК-co держащими вирусами. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы, кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно, специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК-»ДНК-»РНК-»белок.

Транскрипция является первым этапом общего переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК на матрице ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности матричной нити ДНК (5’, переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5’->3’ на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов цепи ДНК рибонуклеотидам РНК (А - У, Г - Ц, Т - А, Ц - Г). Вторая цепь ДНК, комплементарная матричной, называется кодирующей («-»-цепь).

В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы клеточной РНК. Единица транскрипции получила название «транскриптон». На рисунке 1.4 представлена структура прокариотического транскриптона.

Рис. 1.4.

Процесс транскрипции катализируется РНК-полимеразой, представляющей собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций.

Транскрипцию принято подразделять на три основных стадии: инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса). Рассмотрим данный процесс на примере прокариотической клетки.

Инициация транскрипции осуществляется РНК-полимеразой в состоянии холофермента, т.е. в присутствии всех субъединиц (двух а, формирующих каркас РНК-полимеразы; р, катализирующей полимеризацию РНК; Р’, обеспечивающей неспецифическое связывание с ДНК; со, участвующей в сборке фермента и защищающей его от разрушения; о, распознающей промотор и связывающейся с промотором). Фермент связывается с участком ДНК, называемым промотором (рис. 1.5) и расположенным перед стартовой точкой, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы большинства генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5’-ТАТААТ-3’ (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка десяти нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность этих организмов (5’-ТТГАЦА-3’) обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы одно- нитевого 3’-5’-фрагмента ДНК. После синтеза короткого (длиной до десяти нуклеотидов) фрагмента РНК, G-субъединица отсоединяется, и РНК-полимераза переходит в состояние кор-фермента.

Рис. 1.5.

На этапе элонгации кор-фермент продвигается по ДНК-матрице, расплетая ее и наращивая цепь РНК в направлении 5’->3’. Вслед за продвижением РНК-полимеразы восстанавливается исходная вторичная структура ДНК. Процесс продолжается вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, на которой оканчивается синтез транскрипта, и он отсоединяется от матрицы. Существуют два основных способа терминации. При р-независимой терминации на синтезируемой РНК формируется шпилька, препятствующая дальнейшей работе РНК-полимеразы, и транскрипция прекращается, p-зависимая терминация осуществляется с участием р-белка, который присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК и с затратой энергии АТФ способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. Вместе с тем у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, которая кодирует синтез не одного, а двух и большего числа полипептидных цепочек. В этом случае происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Однако полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

В отличие от прокариот, в клетках которых имеется РНК-поли- мераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот обнаружены ядерные РНК-полимеразы трех типов (I, II, III), а также РНК-полимеразы клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК (5,8S, 18S, 28S), РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК, мяРНК и микроРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и 5S рРНК.

Разные типы РНК-полимераз инициируют транскрипцию с разных промоторов. Так, промотор для РНК-полимеразы II (рис. 1.6) содержит универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-моти- вы). При этом та или иная промоторная область может включать либо одну из указанных последовательностей, либо комбинацию двух или трех таких последовательностей. Также для инициации транскрипции эукариотические РНК-полимеразы нуждаются в белках - факторах транскрипции.

Рис. 1.6.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. На рисунке 1.7 представлена структура эукариотического транскриптона. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула РНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Рис. 1.7.

Процессинг мРНК у эукариот включает три этапа: кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг. Модификация 5’-конца, называемая копированием, представляет собой присоединение к 5’-концу транскрипта гуанозинтрифосфата (ГТФ) необычной 5’-5’- связью. Реакция катализируется ферментом гуанилилтрансферазой. Затем происходит метилирование присоединенного гуанина и первых нуклеотидов транскрипта. Функциями «кэпа» (от англ, cap - колпачок, шапочка), вероятно, являются защита 5’-конца мРНК от ферментативной деградации, взаимодействие с рибосомой при инициации трансляции и транспорт мРНК из ядра. Модификация З’-конца (по- лиаденилирование) - это присоединение к З’-концу РНК-транскрип- та от 100 до 300 остатков адениловой кислоты. Процесс катализируется ферментом polyA-полимеразой. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на З’-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА. Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды. Третий этап процессинга - сплайсинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В сплайсинге принимают участие короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и первичного транскрипта способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания нитронов из гяРНК.

Следует отметить, что у эукариот процессингу подвергается большинство типов РНК, в то время как у прокариот мРНК процессингу не подвергается, и трансляция синтезируемой молекулы мРНК может начаться до завершения транскрипции.

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5’ -> 3’). В клетках прокариот генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме, что определяет сопряженность процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5’-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции и трансляции разделены в пространстве и во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей транспортировки из ядра в цитоплазму, где будет осуществляться синтез полипептида.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основных стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК и белков (рис. 1.8). В составе рибосомы имеются две структурные субъединицы (большая и малая), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т.е. по коэффициенту седиментации (величине S). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рис. 1.8.

Рибосомы прокариот состоят из большой и малой субъединиц с величинами 50S и 30S соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы крупнее (60S и 40S). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то и здесь мы его рассмотрим на примере прокариот. Как видно из рис. 1.8, в рибосоме содержатся несколько активных центров: A-участок (аминоацильный), P-участок (пептидильный), Е-участок (для выхода пустой тРНК) и участок связывания мРНК.

В процесс трансляции вовлечены также молекулы тРНК, функции которых состоят в участии в транспорте аминокислот из цитозоля к рибосомам и в распознавании кодона мРНК. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном молекулы мРНК, и акцепторный участок (на З’-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.3). Каждая аминокислота, участвующая в процессе трансляции, прежде чем переместиться к рибосоме, должна присоединиться к определенной тРНК с помощью соответствующего варианта фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии молекул АТФ. Образование комплекса аминоацил-тРНК проходит в два этапа.

• 1. Активация аминокислоты: Аминокислота + АТФ -> аминоа- цил-АМФ + РР.
• 2. Присоединение аминокислоты к тРНК: Аминоацил-АМФ + + тРНК -> аминоацил-тРНК + АМФ.

Инициация трансляции у прокариот сопровождается диссоциацией рибосомы на две субъединицы. Затем 5-8 нуклеотидная последовательность, расположенная на 5’-конце молекулы мРНК (последовательность Шайна - Далъгарно) связывается с определенной областью малой субъединицы рибосомы таким образом, что в P-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы. Функциональная особенность такого P-участка во время инициации состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, а у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез полипептида всегда начинается с N-конца и идет в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с N-метионина. Однако в дальнейшем эти аминокислоты, как правило, ферментативно отщепляются во время процессинга белковой молекулы. После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» P-участке становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р-участка и А-участка.

Процесс элонгации начинается с доставки следующей аминоацил-тРНК в A-участок рибосомы и присоединения на основе принципа комплементарности ее антикодона к соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке. Затем образуется пептидная связь между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами, после чего происходит перемещение рибосомы на один кодон мРНК в направлении 5’ -» 3’, что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК) и от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму через Е-участок.

При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из А-участ- ка в P-участок, а освободившийся A-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

И инициация, и элонгация трансляции осуществляются с участием вспомогательных белковых факторов. На сегодняшний день у прокариот описано по три таких фактора для каждого из этапов синтеза белка.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-кодонов мРНК (УАА, УАГ, УГА) в A-участок рибосомы. Поскольку эти кодоны не несут информации о какой-либо аминокислоте, но узнаются соответствующими факторами терминации, процесс синтеза полипептида прекращается, и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5’-ко- нец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом, в результате чего формируется структура, называемая полисомой и представляющая собой несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу мРНК.

Механизм синтеза полипептида в эукариотической клетке принципиально схож с таковым у прокариот. Однако отличаются вовлеченные в процесс белковые факторы.

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы. На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной струк- зв туры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно привести молекулу гемоглобина человека, состоящую из двух а-цепочек и двух (3-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру. Каждая из глобино- вых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Фрагмент кодирующей цепи ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: 5’-ГАТТЦТГАЦТЦАТТГЦАГ-3’

Определите ориентацию и нуклеотидную последовательность мРНК, синтезируемой на указанном фрагменте ДНК, и аминокислотную последовательность кодируемого ею полипептида.

• 2. Можно ли однозначно определить нуклеотидную последовательность мРНК и комплементарной ей нити ДНК, если известна аминокислотная последовательность кодируемого ими полипептида? Дайте обоснование своего ответа.
• 3. Запишите все варианты фрагментов мРНК, которые могут кодировать следующий фрагмент полипептида: Фен - Мет - Цис.
• 4. Какие аминокислоты могут транспортировать к рибосомам тРНК с антикодонами: АУГ, ААА, ГУЦ, ГЦУ, ЦГА, ЦУЦ, УАА, УУЦ?
• 5. Как можно объяснить то обстоятельство, что размеры нуклеотидной последовательности структурного гена (3-глобина (1380 пар нуклеотидов) значительно превышают величину, необходимую для кодирования соответствующего полипептида, состоящего из 146 аминокислотных остатков?

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, а хранителем генетической информации является ДНК- Для передачи информации с ДНК, нахо -дящейся в ядре, к месту синтеза белка требуется посредник. Его роль выполняет информационная (матричная) РНК, которая синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности.

Таким образом, реализация наследственной информации в клетке осуществляется в два этапа: сначала информация о структуре белка копируется с ДНК на иРНК (транскрипция), а затем реализуется на рибосоме в виде конечного продукта — белка (трансляция). Это можно представить в виде схемы:

Транскрипция. Переписывание наследственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией (от лат. транскрипцио — переписывание). Этот процесс происходит следующим образом.

На определенном участке молекулы ДНК происходит разъединение комплементарных цепей. Вдоль одной из цепей (ее называют транскрибируемой цепью) начинает движение фермент РНК-полимераза.

в) генетический код

РНК-полимераза синтезирует из нуклеотидов молекулу иРНК, при этом транскрибируемая цепь ДНК используется в качестве матрицы (рис. 65). Полученная иРНК комплементарна участку транскрибируемой цепи ДНК, значит, порядок нуклеотидов в иРНК строго определен порядком нуклеотидов в ДНК Например, если участок транскрибируемой цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов А Ц Г Т Г А, то соответствующий участок молекулы иРНК будет иметь вид У Г ЦАЦУ (обратите внимание, что в состав нуклеотидов РНК вместо тимина входит урацил). Таким образом, в результате транскрипции генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК

Транскрипция может происходить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных в разных хромосомах.

Поскольку в одной молекуле ДНК содержится множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начинала синтез иРНК со строго определенного участка ДНК- Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза распознает промотор, взаимодействует с ним и начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент синтезирует иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, пока не дойдет до особой последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — терминатора. Эта последовательность нуклеотидов указывает на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК могут сразу же взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре. Там она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через поры в ядерной мембране в цитоплазму.

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК: тРНК и рРНК

Трансляция. Процесс синтеза белка из аминокислот, происходящий на рибосомах, называется трансляцией (от лат. трансляцио — перевод). В ходе трансляции осуществляется перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. Иными словами, «язык» нуклеотидов переводится на «язык» аминокислот.

В цитоплазме обязательно должен быть полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, или синтезируются в самом организме.

Информационная РНК связывается с малой субъединицей рибосомы, после этого присоединяется большая субъединица (рис. 66).

Синтез белка начинается со стартового кодона АУТ. Так как этот триплет кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением особых случаев) будут начинаться с остатка метионина. Отщепление этого остатка у большинства белков происходит позднее, в ходе созревания белковой молекулы.

Начиная со стартового кодона, молекула иРНК последовательно, триплет за триплетом, продвигается через рибосому, что сопровождается ростом полипеп-тидной цепочки. Соединение аминокислот в нужную последовательность (в соответствии с кодонами иРНК) осуществляется на рибосомах при участии транспортных р н к

Благодаря специфическому расположению комплементарных нуклеотидов молекула тРНК, как уже отмечалось, имеет форму, напоминающую лист клевера (рис. 67). У каждой тРНК имеется акцепторный конец, к которому присоединяется определенная аминокислота, предварительно активированная энергией АТФ. Для активации одной аминокислоты необходимо расщепить одну молекулу АТФ.

В противоположной части молекулы тРНК находится специфический триплет — ант и кодон, ответственный за прикрепление по принципу комплемен-тарности к соответствующему триплету иРНК (кодону).

Молекула тРНК с присоединенной активированной аминокислотой благодаря антикодону комплементарно связывается с соответствующим кодоном иРНК Таким же образом к следующему кодону иРНК прикрепляется вторая тРНК с активированной аминокислотой. Между двумя аминокислотами возникает пептидная связь, после чего первая тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому.

После этого иРНК сдвигается на один триплет, а в рибосому проникает следующая молекула тРНК с аминокислотой. В результате к образованному дипептиду присоединяется третья аминокислота и иРНК сдвигается еще на один триплет. Так происходит наращивание полипептид-ной цепочки.

Процесс трансляции продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех стоп-кодонов:

УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается и рибосома распадается на две субъединицы.

Все описанные реакции происходят очень быстро. Подсчитано, что синтез крупной молекулы белка осуществляется приблизительно за 1 —2 мин.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

Молекула иРНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5—6 до нескольких десятков) называется пол и сомой. Образование полисом повышает эффективность функционирования иРНК, так как позволяет одновременно осуществлять синтез нескольких одинаковых молекул белка.

Если синтез белка происходил на рибосомах, связанных с шероховатой ЭПС, то образовавшаяся полипептидная цепь сначала оказывается внутри полости эндоплазматической сети, а затем транспортируется в комплекс Гольджи. В этих органоидах происходит созревание белка — формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры, присоединение к белковой молекуле небелковых компонентов и др. Если синтез белка осуществлялся на свободных рибосомах, расположенных в гиалоплазме, то синтезированная белковая молекула транспортируется в нужную часть клетки, где и приобретает соответствующую структуру.

Таким образом, генетическая информация, которая содержится в ДНК, в результате процессов транскрипции и трансляции реализуется в клетке в виде молекул белков. Синтез белка обеспечивается взаимодействием всех типов РНК: рРНК является главным структурным компонентом рибосом, иРНК — носителем информации о первичной структуре белка, тРНК доставляют на рибосому аминокислоты, а также обеспечивают их правильное включение в полипептид-ную цепь.

Биосинтез РНК (транскрипция) и биосинтез белка (трансляция) осуществляются с использованием матриц — ДНК и иРНК соответственно. Поэтому, так же как и репликация, процессы транскрипции и трансляции являются реакциями матричного синтеза.

1. Какие процессы относятся к реакциям матричного синтеза?

Брожение, трансляция, транскрипция, фотосинтез, репликация.

2. Что такое транскрипция? Как протекает этот процесс?

3. Какой процесс называется трансляцией? Охарактеризуйте основные этапы трансляции.

4. Почему при трансляции в состав белка включаются не любые аминокислоты в случайном порядке, а только те, которые закодированы триплетами иРНК, причем в строгом соответствии с последовательностью этих триплетов? Как вы думаете, сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?

5. Реакции матричного синтеза следует относить к процессам ассимиляции или диссимиляции? Почему?

6. Участок транскрибируемой цепи ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ТАЦТГГАЦАТАТТАЦААГАЦТ. Установите последовательность аминокислотных остатков пептида, закодированного этим участком.

7. Исследования показали, что в молекуле иРНК 34% от общего числа азотистых оснований приходится на гуанин, 18 % — на урацил, 28 % — на цитозин и 20 % — на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двуцепочечного участка ДНК, одна из цепей которого служила матрицей для синтеза данной иРНК.

8. В эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина может происходить еще в течение нескольких дней после утраты этими клетками ядер. Как вы можете это объяснить?

Глава 1. Химические компоненты живых организмов

• § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
• § 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества

Глава 2. Клетка - структурная и функциональная единица живых организмов

• § 10. История открытия клетки. Создание клеточной теории
• § 15. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизосомы

Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в организме

• § 24. Общая характеристика обмена веществ и преобразование энергии

Глава 4. Структурная организация и регуляция функций в живых организмах

В первой четверти XX в. было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами наследственности - генами, локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом в линейном порядке. На этой основе Т. X. Морганом была разработана хромо­сомная теория наследственности, за что он получил в 1933 г. Нобе­левскую премию по физиологии и медицине «за открытия, свя­занные с ролью хромосом в наследственности».

Ученые пытались определить и «продукты» деятельности генов, т. е. те молекулы, которые синтезируются в клетках под их контролем. В работах Эфрусси, Бидла и Татума накануне второй мировой войны была выдвинута идея о том, что гены продуцируют белки, но для этого ген должен хранить инфор­мацию для синтеза определенного белка (фермента). Сложный механизм реализации информации, заключенной в ДНК, и ее перевода в форму белка был раскрыт лишь в 60-е годы прош­лого века.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД .Представление о том, что в гене закодирована информация о первичной структуре белка, было изложено Ф. Криком в его ги­потезе последовательности, согласно которой последовательность структурных элементов гена определяет последовательность амино­кислотных остатков в синтезируемой полипептидной цепи. Автор гипотезы предполагал, что код, скорее всего триплетен, что коди­рующая единица представлена тремя парами оснований ДНК, рас­положенными в определенной последовательности. Действительно, четыре пары оснований ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г - могут за­кодировать лишь 4 аминокислоты, если допустить, что каждая пара соответствует одной аминокислоте. Известно, что белки со­стоят из 20 основных аминокислот. Если предположить, что каж­дой аминокислоте соответствуют две пары оснований, то мож­но закодировать 16 аминокислот (4 2). Этого также недостаточно. При триплетности же кода из четырех пар оснований можно со­ставить 64 кодона (4 3), и этого более чем достаточно для кодиро­вания 20 аминокислот. Экспериментальные доказательства того, что генетический код триплетен, были опубликованы в 1961 г. (Ф. Крик и др.). В этом же году на V Международном биохими­ческом конгрессе в Москве М. Ниренберг и Дж. Маттей сообщили о расшифровке первого кодона (УУУ - кодона для фенилаланина) и, что ещё более важно, предложили метод определения соста­ва кодонов в бесклеточной системе белкового синтеза.

Сразу возникли два вопроса: является ли код перекрывающим­ся и вырожден ли код?

Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары основа­ний приводила бы к замене сразу двух или трех аминокислот в синтезируемом белке. В действительности этого не происходит, и генетический код считают неперекрывающимся.

Код является вырожденным, так как почти каждая аминокисло­та связана с более чем одним кодоном, которые определяют их расстановку в первичной структуре синтезируемой полипептид­ной цепи. Только две аминокислоты - метионин и триптофан - связаны с единичными кодонами - АУГ и УГГ соответственно. Расстановку каждой из трех аминокислот - аргинина, лейцина и серина - в первичной структуре полипептидной цепи определяют шесть кодонов и т. д. (см. табл. 3.2).

К числу особенностей генетического кода относится также его универсальность (он в основном одинаков для всех живых организ­мов). Однако обнаружены и исключения из этого правила. В 1981 г. было завершено определение полной нуклеотидной последователь­ности митохондриальной ДНК человека, содержащей 16 569 нуклеотидных пар. Полученные результаты свидетельствуют о том, что митохондриальные геномы высших и низших эукариот, коди­рующие примерно один и тот же набор функций, характеризуютсяразличиями в смысловом значении некоторых кодонов, правилах антикодон-кодонового узнавания и общей структурной организа­ции. Так, оказалось, что в отличие от обычного универсального кода кодон АУА вместо изолейцина кодирует метионин, а трипле­ты АГА и АГГ являются не аргининовыми кодонами, а сигналами терминации. трансляции; триптофан кодируется как триплетом УГГ, так и триплетом УГА, который обычно выполняет функцию терминаторного кодона.

В генетическом коде разные кодоны одной аминокислоты, т. е. кодоны-синонимы, почти всегда находятся в одном и том же квадрате и отличаются друг от друга по последнему из трех нуклеотиду (исключение составляют лишь кодоны аргинина, серена и лейцина, имеющих по шесть кодонов, которые не могут размес­титься в одном квадрате, где помещаются всего четыре кодона). Генетический код имеет линейный порядок считывания и характеризуется колинеарностью , т. е. совпадением порядка расположения кодонов в мРНК с порядком расположения аминокислот синтезирующейся полдипептидной цепи.

СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ . Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами: синтезом макромолекул- ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена- достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под ге­нетическим контролем. Рассмотрим действие гена, обеспечивающего транскрипцию, или синтез РНК, и трансляцию, или синтез белка.

Транскрипция ДНК , Это - перенос генетической информации закодированной в последовательности пар нуклеотидов, с двуце­почечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. При этом матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь ДНК, называемая смысловой.

В транскрипции, как и в других матричных процессах, различают три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Фермент, осуществляющий этот процесс, называют ДНК-зависимой РНК-полимеразой или просто РНК~полимеразой; при этом полимеризация полирибонуклеотида (РНК) происходит в направлении от 5"- к З"-концу растущей цепи.

Синтез ферментов и других белков, необходимых для жизнедеятельности и развития организмов, происходит в основном на первой стадии интерфазы, до начала репликации ДНК.

В результате транскрипции наследственная информация, записанная в ДНК гена, точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность мрак. Синтез мРНК начинается с участка инициации транскрипции, называемого промото­ром. Промотор расположен перед геном и включает в себя около 80 пар нуклеотидов (у вирусов и бактерий этот участок соответ­ствует примерно одному витку спирали ДНК и включает около 10 пар нуклеотидов). В нуклеотидных последовательностях промоторов часто встречаются пары AT, поэтому их называют также ТАТА-последовательностями.

Транскрипция осуществляется с помощью ферментов РНК-полимераз. У эукариот известны три типа РНК-полимераз: I - от­ветственен за синтез рРНК, II - за синтез мРНК; III -за синтез тРНК и низкомолекулярной рРНК - 5S РНК.

РНК-полимераза прочно связывается с промотором и разъеди­няет нуклеотиды комплементарных цепей. Затем этот фермент начинает двигаться вдоль гена (молекулы ДНК) и по мере разъе­динения цепей ведет на одной из них (смысловой) синтез мРНК, присоединяя согласно принципу комплементарно аденин к тимину, урацил к аденину, гуанин к цитозину и цитозин к гуани­ну. Те участки ДНК, на которых полимераза образовала мРНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула мРНК постепенно отделяется от ДНК. Окончание синтеза мРНК определя-ется участком остановки транскрипции -- терминатором. Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, регулирующими активность РНК-полимеразы.

Перед выходом из ядра к начальной части мРНК (5"-концу) присоединяется остаток метилированного гуанина, называемый «колпачком», а к концу мРНК (З"- концу) - около 200 остатков адениловой кислоты. В таком виде зрелая мРНК проходит через ядерную мембрану в цитоплазму к рибосоме и соединяется с ней. Полагают, что у эукариот «колпачок» мРНК участвует в связыва­нии ее с малой субъединицей рибосомы.

Трансляция мРНК. Это синтез белка на рибосомах, направляе­мый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четы­рехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептид­ных цепей.

В этом процессе различают три стадии.

Активация свободных аминокислот - обра­зование аминоациладенилатов в результате взаимодействия амино­кислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каж­дой аминокислоты. Эти ферменты - аминоацилтРНКсинтета-зы - участвуют и в следующей стадии.

Аминоацилирование тРНК - присоединение амино­кислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комп­лекса аминоацил-тРНК-синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.

Собственно трансляция, или полимеризация ами­нокислотных остатков с образованием пептидных связей.

Таким образом, при трансляции последовательность расположе­ния нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. В процессе трансляции участвуют мРНК, рибосомы, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы.

Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУТ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бак­терий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый. Сигна­лом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимо­действие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (А-центре), располагающемся преимущественно на малой субъеди­нице рибосомы.

Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует ком­плекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодом.

УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая пе­реносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состо­ящему из малой субъединицы рибосомы (30S*), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (50S*). В ре­зультате образуется полностью собранная рибосома, включаю­щая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с амино­кислотой. В рибосоме имеются аминоацилъный и пептидилъный центры.

Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъеди­ницы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, ко­торый может соединиться с антикодоном следующей аминоацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансля­ции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептид­ной цепи. Так, в аминоацильный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим анти­кодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептицилтрансферазы предшествующая амино­кислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокис­лоты. Между ними образуется пептидная связь. При этом выделяется молекула воды:

В результате мРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элон­гации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.

В результате процесса трансляции комплекс дипептидил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элон­гации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставля­ет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в со­ответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр не посту­пит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или У ГА.

После поступления в аминоацильный центр рибосомы терми­нирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что при­водит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептид­ной цепи и субъединиц рибосомы, которые после освобождения диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи,

Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением моле­кул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие до­полнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонга­ции) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являют­ся интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс транс­ляции одинаков у всех организмов.

Процесс синтеза белка очень сложен. Кроме упомянутых, его протекание обеспечивают много других ферментов. У E . coli от­крыто около 100 генов, которые контролирую синтез полипеп­тидов и образование разных элементов, входящих в аппарат трансляции. Поскольку молекула мРНК оказывается достаточно длинной, к ней может присоединиться несколько рибосом. В каж­дой из рибосом, связанных с одной молекулой мРНК, идет синтез одних и тех же молекул белка, однако этот синтез находится на разных стадиях, что определяется тем, какая из них раньше и ка­кая позже вступила в связь с молекулой мРНК. По мере того как рибосома продвигается вдоль мРНК (от ее 5"- к З"- концу), инициирующий участок цепи высвобождается, на нем происходитсборка следующего активного рибосомного комплекса, и на той же матрице снова начинается синтез полипептида. При взаимо­действии нескольких активных рибосом с одной молекулой мРНК образуется полирибосома, или полисома.

Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претер­певают посттрансляционные преобразования и в дальнейшем вы­полняют свои специфические функции. Первичная структура по­липептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется приро­дой боковых групп аминокислотных остатков (α-спираль, склад­чатый β- слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространст­венной) структурой полипептида, отражающей по сути дела способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.

Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина вклю­чает в себя две α-цепи и две β-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.

Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон - антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной ро­ли рибосом в контроле комплементарности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции. Вопрос о мута­циях будет рассмотрен в главе 6.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. РЕПЛИКАЦИЯ РНК .Известны три вида процессов, в рамках которых осуществляет­ся специализированный перенос генетической информации. Один из них - перенос информации от РНК к РНК - удается зафикси­ровать только в клетках, зараженных вирусами, генетический ма­териал которых представлен РНК. Это, в частности, вирус табач­ной мозаики и многие другие вирусы растений, РНК-содержащие бактериофаги и некоторые другие вирусы животных, такие, как полиовирусы. Эти вирусные геномные РНК, одноцепочечные или двухцепочечные, несут гены, кодирующие специфические РНК-репликазы, которые по РНК-матрице могут синтезировать комп­лементарные молекулы РНК. Они в свою очередь могут служить матрицами для синтеза аналогичным способом копий родитель­ских цепей РНК. Перенос генетической информации от РНК к РНК также основан на принципе комплементарное оснований в ро­дительской и дочерней цепях РНК.

Обратная транскрипция. Данный вид специализированного пе­реноса генетической информации не от ДНК к РНК, а наоборот от РНК к ДНК, обнаружен в клетках животных, инфицированных вирусами определенного типа. Это особый тип РНК-содержащих вирусов, называемых ретровирусами. В настоящее время установ­лено, что еще один тип вирусов - ДНК-содержащий вирус гепа­тита В в своем развитии также использует перенос информации от РНК к ДНК.

Ретровирусы содержат молекулы одноцепочечной РНК, при этом каждая вирусная частица имеет две копии РНК-генома, т. е. вирусы этого типа являются единственной известной разно­видностью диплоидных вирусов. Впервые они были обнаружены по способности вызывать образование опухолей у животных. Пер­вый вирус этого типа был описан в 1911г. Пептоном Раусом, об­наружившим инфекционную саркому у кур.

После проникновения РНК ретровируса в клетку хозяина ви­русный геном подвергается обратной транскрипции. При этом сна­чала образуется дуплекс РНК- ДНК, а затем двухцепочечная ДНК. Эти этапы предшествуют экспрессии вирусных генов на уровне белков и образованию РНК-геномов.

Фермент, катализирующий комплементарное копирование РНК с образованием ДНК, называется обратной транскриптазой. Он содержится в ретровирусных частицах (вирионах) и активизирует­ся после попадания вируса в клетку и разрушения его липидно-гликопротеиновой оболочки.

Появляется все больше данных о том, что обратная транскрип­ция происходит и в самых разных эукариотических клетках, а об­ратная транскриптаза играет важную роль в процессах перестрой­ки генома.

Обратные транскриптазы ретровирусов - это по существу ДНК-полимеразы, которые могут использовать in vitro в качестве матри­цы ДНК. Однако гораздо эффективнее они работают на РНК. Как и все ДНК-полимеразы, обратные транскриптазы не способны инициировать синтез новых цепей ДНК. Но если синтез уже инициирован с помощью праймерной РНК или 3"-концевого уча­стка ДНК, то фермент эффективно осуществляет синтез, ис­пользуя цепь ДНК как матрицу.

Ретровирусы оказались очень полезным инструментом совре­менных генно-инженерных исследований. Они служат источни­ком для получения практически чистой обратной транскриптазы - фермента, играющего важнейшую роль в многочисленных работах, основанных на клонировании эукариотических генов. Так, очищенную индивидуальную мРНК, кодирующую интересующий исследователя белок, как правило, выделить гораздо легче, чем фрагмент ДНК генома, кодирующий этот белок. Затем с помощью обратной транскриптазы можно получить ДНК-копию этой мРНК и встроить ее в подходящую плазмиду для клонирования и выра­ботки значительных количеств нужной ДНК.

Трансляция ДНК. Третий вид специализированного переноса генетической информации от ДНК непосредственно к белку уда­лось наблюдать только в лаборатории in vitro. В этих условиях не­которые антибиотики, в частности стрептомицин и неомицин, взаимодействующие с рибосомами, могут так изменять их свой­ства, что рибосомы начинают использовать в качестве матрицы вместо мРНК одноцепочечную ДНК, с которой последователь­ность оснований непосредственно переводится в аминокислотную последовательность синтезируемого полипептида.