Реализация генетической информации

Выше рассмотрены репликация — механизм, обеспечи­вающий сохранение генетической информации и ген — ма­териальная единица наследственности. Существует и дру­гой механизм, ответственный за проявление записанной в нуклеиновой кислоте генетической информации в специфич­ной структуре синтезируемых в клетках белков, определяю­щие все основные свойства организма и ответственность за реализацию генетической информации.

Реализация информации, содержащейся в ДНК, начина­ется с этапа транскрипции (рис. 4.11)

Транскрипция— «переписывание» — перенос генетичес­кой информации от ДНК к РНК. Этб синтез одно цепочеч­ной молекулы РНК на матрице ДНК. Этот процесс происходит благодаря комплементарности нуклеиновых основа­ний, за исключением того, что в молекуле РНК вместо ти-минового нуклеотида встраивается урациловый, который также соответствует аденину.

Образование одноцепочечной РНК обеспечивают фермен­ты — РНК-полимеразы.

Рис: 4.11. Синтез молекулы РНК на матричной нити ДНК

Стрелкой показано направление, в котором идет рост цепи РНК.

Участок ДНК, по которому синтезируется РНК, называ­ется транскрипционной единицей. В зоне синтеза происходит разрыв водородных связей между нитями ДНК. Образова­ние РНК-транскрипта осуществляется путем связывания в цепь отдельных нуклеотидов, комплементарных нуклеоти-дам матричной ДНК. Транскрипция начинается с участка инициации и заканчивается на участке остановки — терми­наторе. Нуклеотидные последовательности в этих участках ДНК распознаются специальными белками, которые конт­ролируют работу РНК-полимераз. Обычно РНК образуется на матрице только одной из двух полинуклеотидных цепей ДНК. РНК-полимеразы контролируют транскрипцию учас­тков ДНК, несущих информацию о имеющихся классах мо­лекул РНК.

Рис. 4.12. Строение бак­териальной рибосомы: Р — пептидильный

уча­сток; А — аминоацильный участок

Соотношение различных классов РНК в клетке в %-ном отношении и выполняемые ими функции следующие:

1) Рибосомальные (рРНК) — 80%, образуют в комплексе с белками рибосому, сложную органеллу, в которой происходит синтез полипептиднои цепи — первичной структуры бел­ка (рис. 4.12)

2)Транспортные (тРНК) — 15%, пе­реносят аминокислоты в рибосомы, специфичность такого перено­са обеспечивается наличием 20 ти­пов тРНК, соответствующих 20 ами­нокислотам. В тРНК нуклеотидная цепь имеет специфическую про­странственную структуру, которая похожа на клеверный лист. Для всех молекул характер­но наличие на «стебельке» «листа» определенной нуклеотидной последовательности, к которой присоединяется аминокислота. Противоположная этому концу часть тРНК образует петлю. Она содержит антикодон — три нуклеотида, строго специфичных для аминокислоты, которую приносит эта РНК. Аминокислота ковалентно связывается с тРНК при участии ферментов — аминоа-цил-тРНК-синтетаз.

3) РНК-транскрипты (матричные и информационные (мРНК, иРНК)) — около 5%, мРНК переносят информа­цию о структуре белка от ДНК к месту образования бел­ка — рибосомам, где они становятся матрицей для син­теза полипептидной цепи.

4) Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) — около 1 %, гяРНК участвуют в процессе сплайсинга (вырезания последо­вательностей, комплементарных интронам, из первич­ного РНК-транскрипта).

Сейчас известны еще предшественники мРНК и рРНК, пре-мРНК и пре-рРНК, а также низкомолекулярные РНК — нмРНК.

Второй этап реализации наследственной информации на­чинается после отсоединения молекул РНК от ДНК, назы­вается процессжг — созревание, образование молекул мРНК, представляющих собой непрерывную последовательность нуклеотидов, комплементарную только экзонам — кодиру­ющим участкам гена (рис. 4.13). В этот период из РНК вырезаются участки (сплайсинг), которые не несут информа­цию о структуре белка. РНК приобретает специальные окон­чания: к одному концу присоединяется метилированный ос­таток гуанозина (САР), с другой стороны образуется цепоч­ка из остатков аденина.

Экзоны (1, 2, 3)
^^Г I;i-, Энхансер

днкс: т з ис: и i м

Интроны (1, 2~\ Транскрипция

(б'Щ — ■ Z33'

Модификация концов РНК

Рис. 4.13. Процессинг мРНК р-глобинового гена человека

В таком состоянии мРНК выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс транс­ляции — синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК.

Третий этап — трансляция или «перевод» — это перенос информации с последовательности оснований мРНК на ами­нокислотную последовательность. Основная роль принадле­жит рибосомам — рибонуклеопротеиновым частицам диа­метром 20—30 нм, в большом количестве присутствующим в цитоплазме клеток, при участии транспортных РНК. Ри­босома образована двумя субъединицами — большой и ма­лой, состоящими из рРНК и белков.

В цитоплазме клетки находится 20 различных аминокис­лот и соответствующие им тРНК. С помощью ферментов аминокислоты узнают соответствующие тРНК, присоединя­ются к ним, и тРНК переносят их к месту синтеза белка в рибосому. Все тРНК — это три функциональных участка в своей молекуле:

а) участок узнавания фермента, определяющий, какая именно кислота присоединяется к данной тРНК;

б) акцепторный участок, к которому присоединяется кис­лота;

в) участок, состоящий из трех нуклеотидов — антикодон, определяющий то место в синтезируемой молекуле белка, какое должна занять данная аминокислота.

Акцепторный участок одинаков у всех тРНК, он имеет последовательность Ц-Ц-А. Участки узнавания и антикодо­ны разные у различных тРНК.

Трансляция состоит из трех стадий: инициации, элонга­ции и терминации.

Инициация начинается с прикрепления малой субъеди­ницы рибосомы к мРНК на участке связывания, который содержит обычно 3 нуклеотида: АУГ. Каждой аминокисло­те в мРНК соответствует определенная тройка — триплет-нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. Кодон комплементарен триплету, образующему антикодон со­ответствующей тРНК. Если в рибосоме на мРНК будет ко-дон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антико доном УАЦ.

Затем туда же присоединяется тРНК, несущая метионин, поскольку ее антикодон комплемента­рен последовательности АУГ на мРНК. После этого боль­шая и малая субъединицы объединяются и образуется ак­тивная рибосома. В рибосоме, в большой ее субъединице, между аминокислотами образуются пептидные связи. В субъединице имеются 2 области: Р-участок и А-участок. При образовании рибосомы тРНК с метионином оказывается в Р-участке, а в А-участке присоединяется следующая тРНК, антикодон которой комплементарен нуклеотидам, располо­женным на мРНК следом за последовательностью АУГ. В большой субъединице рибосомы происходит соединение двух аминокислот с образованием пептидной связи с участием специального фермента — пептидил-трансферазы.

Затем рибосома смещается вдоль мРНК на 3 нуклеоти­да, и тРНК из А-участка оказывается в Р-участке. Таким образом, освобождается А-участок для другой тРНК, анти­кодон которой будет комплементарен следующим нуклео­тидам на мРНК. Таким образом, происходит считывание ин­формации. Многократное повторение подобного процесса, включающего образование пептидной связи между аминокис­лотами и продвижение рибосомы вдоль мРНК на 1 участок, соответствующий трем нуклеотидам, приводит к постоян­ному удлинению полипептидной цепи. При этом последо­вательность аминокислот в этом белке четко обусловлена составом нуклеотидов в мРНК.

Стадия удлинения полипептидной цепи на этапе транс­ляции получила название элонгации.

При освобождении начального участка мРНК по мере про­движения рибосомы к нему опять присоединяются другие большая и малая субъединицы, и образуется новая система для синтеза белка. Обычно на одной мРНК может находиться до 100 рибосом. Такая структура называется полирибосомой или полисомой.

Образование полипептидной цепи продолжается, пока ри­босома не достигнет нуклеотидной последовательности на мРНК, которая не кодирует аминокислот — «стоп-кодон» (УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка. Когда в А-участке рибосомы оказывается «стоп-кодон», туда входит специальный терминирующий белок, который освобождает полипептид от соединения с рибосомой. Затем тРНК вытес­няется в цитоплазму, а рибосома передвигается на следую­щий кодон, происходит считывание информации. Таким образом, появление стоп-кодона на рибосоме прерывает про­цесс трансляции. Эта стадия трансляции получила название терминации.

На следующем этапе полипептидные цепи транспортиру­ются к специфическим органеллам клетки и модифицируют­ся с образованием зрелого, функционально активного белка.

Таким образом, процесс передачи и реализации наслед­ственной информации с молекулы ДНК осуществляется пу­тем образования различных белков с участием различных типов РНК.

В настоящее время успехи молекулярной биологии дос­тигли такого уровня, что появилась возможность определять последовательности оснований в целых генах и удалось даже расшифровать весь генетический «текст» одного организма. Это серьезная веха в развитии науки, поскольку теперь мож­но искусственно синтезировать целые гены, что уже нашло применение в генной инженерии

Дата добавления: 2015-10-02