Важнейшие функции организма - обмен веществ, рост, развитие, передача наследственности, движение и др. - осуществляются в результате множества химических реакций с участием белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. При этом в клетках непрерывно синтезируются разнообразные соединения: строительные белки, белки-ферменты, гормоны. В ходе обмена эти вещества изнашиваются и разрушаются, а вместо них образуются новые. Поскольку белки создают материальную основу жизни и ускоряют все реакции обмена веществ, жизнедеятельность клетки и организма в целом определяется способностью клеток синтезировать специфические белки. Их первичная структура предопределена генетическим кодом в молекулеДНК.

Молекулы белков состоят из десятков и сотен аминокислот (точнее, из аминокислотных остатков). Например, в молекуле гемоглобина их около 600, и они распределены в четыре полипептидные цепочки; в молекуле рибонуклеазы таких аминокислот 124 и т. д.

Главная роль в определении первичной структуры белка принадлежит молекулам ДНК. Разные ее участки кодируют синтез разных белков, следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе многих индивидуальных белков. Свойства белков зависят от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, и каждой аминокислоте соответствует определенный триплет. Экспериментально доказано, что, например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеину и т.д. Распределив молекулу ДНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупность триплетов составляет материальную основу генов, а каждый ген содержит информацию о структуре специфического белка (ген - это основная биологическая единица наследственности; в химическом отношении ген есть участок ДНК, включающий несколько сотен пар нуклеотидов).

Генетический код - исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них несет информацию о последовательности аминокислот в белковых молекулах. Свойства кода: триплетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полииептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон обусловливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для большинства аминокислот существует несколько кодонов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК. (В.Б. Захаров. Биология. Справочные материалы. М.,1997)

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником служит и РНК, на которую нуклеотидная последовательность переписывается, в точном соответствии с таковой на ДНК - по принципу комплементарности. Этот процесс получил название транскрипции и протекает как реакция матричного синтеза. Он характерен только для живых структур и лежит в основе важнейшего свойства живого - самовоспроизведения. Биосинтезу белка предшествует матричный синтез иРНК на нити ДНК. Возникшая при этом иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы, сюда же с помощью тРЙК доставляются аминокислоты.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Вначале аминокисдоты в цитоплазме активируются с помощью ферментов и присоединяются к тРНК (к участку, где расположен нуклеотид ЦЦА). На следующем этапе идет соединение аминокислот в таком порядке, в каком чередование нуклеотидов с ДНК передано на иРНК. Этот этап называется трансляцией. На нити иРНК размещается не одна рибосома, а группа их - такой комплекс называется полисома (Н.Е. Ковалев, Л.Д. Шевчук, О.И. Щуренко. Биология для подготовительных отделений медицинских институтов).

Схема Биосинтез белка

Синтез белка состоит из двух этапов - транскрипции и трансляции.

I. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.

II. Трансляция (передача) - синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:

1. Образование функционального центра рибосомы - ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.

2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс "кодон рРНК и тРНК с аминокислотой" перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего тРНК покидает рибосому.

3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматиче-ской сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) --> РНК (трансляция) --> белок.

Завершив один цикл, полисомы могут принять участие в синтезе новых молекул белка.

Отделившаяся от рибосомы молекула белка имеет вид нити, которая биологически неактивна. Биологически функциональной она становится после того, как молекула приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру, т. е. определенную пространственно специфическую конфигурацию. Вторичная и последующие структуры белковой молекулы предопределены в информации, заложенной в чередовании аминокислот, т. е. в первичной структуре белка. Иначе говоря, программа образования глобулы, ее уникальная конфигурация определяются первичной структурой молекулы, которая в свою очередь строится под контролем соответствующего гена.

Скорость синтеза белка обусловлена многими факторами: температурой среды, концентрацией водородных ионов, количеством конечного продукта синтеза, присутствием свободных аминокислот, ионов магния, состоянием рибосом и др.

1. Какие процессы относятся к реакциям матричного синтеза?

Брожение, трансляция, транскрипция, фотосинтез, репликация.

К реакциям матричного синтеза относятся трансляция, транскрипция и репликация.

2. Что такое транскрипция? Как протекает этот процесс?

Транскрипция – процесс переписывания генетической информации с ДНК на РНК (биосинтез РНК на соответствующих участках одной из цепей ДНК); одна из реакций матричного синтеза.

Транскрипция осуществляется следующим образом. На определённом участке молекулы ДНК происходит разъединение комплементарных цепей. Синтез РНК будет осуществляться на одной из цепей (её называют транскрибируемой цепью).

Фермент РНК-полимераза распознаёт промотор (особую последовательность нуклеотидов, расположенную в начале гена) и взаимодействует с ним. Затем РНК-полимераза начинает двигаться вдоль транскрибируемой цепи и при этом синтезировать из нуклеотидов молекулу РНК. Транскрибируемая цепь ДНК используется в качестве матрицы, поэтому синтезированная РНК будет комплементарной соответствующему участку транскрибируемой цепи ДНК. РНК-полимераза наращивает цепочку РНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдёт до терминатора (особой последовательности нуклеотидов, расположенной в конце гена), после чего транскрипция прекращается.

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

Трансляция – процесс биосинтеза белка из аминокислот, происходящий на рибосомах; одна из реакций матричного синтеза.

Основные этапы трансляции:

? Связывание иРНК с малой субъединицей рибосомы, после чего присоединяется большая субъединица.

? Проникновение в рибосому метиониновой тРНК и комплементарное связывание её антикодона (УАЦ) со стартовым кодоном иРНК (АУГ).

? Проникновение в рибосому следующей тРНК, несущей активированную аминокислоту, и комплементарное связывание её антикодона с соответствующим кодоном иРНК.

? Возникновение пептидной связи между двумя аминокислотами, после чего первая (метиониновая) тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому, а иРНК сдвигается на один триплет.

? Наращивание полипептидной цепи (по механизму, описанному выше), происходящее до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА).

? Прекращение синтеза белка и распад рибосомы на две отдельные субъединицы.

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

Правильное и последовательное включение аминокислот в растущую полипептидную цепь обеспечивается строгим комплементарным взаимодействием антикодонов тРНК с соответствующими кодонами иРНК.

Некоторые учащиеся могут ответить, что в синтезе белков участвует 20 видов тРНК – по одному для каждой аминокислоты. Но на самом деле в синтезе белков участвует 61 вид тРНК – их столько же, сколько существует смысловых кодонов (триплетов, кодирующих аминокислоты). Каждый вид тРНК имеет уникальную первичную структуру (последовательность нуклеотидов) и, как следствие, обладает особым антикодоном для комплементарного связывания с соответствующим кодоном иРНК. Например, аминокислота лейцин (Лей) может кодироваться шестью разными триплетами, поэтому существует шесть типов лейциновых тРНК, и все они имеют разные антикодоны.

Общее количество кодонов составляет 4 3 = 64, однако молекул тРНК к терминирующим кодонам (их три) не существует, т.е. 64 – 3 = 61 вид тРНК.

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

Реакции матричного синтеза относятся к процессам ассимиляции потому что:

? сопровождаются синтезом сложных органических соединений из более простых веществ, а именно – биополимеров из соответствующих мономеров (репликация сопровождается синтезом дочерних цепей ДНК из нуклеотидов, транскрипция – синтезом РНК из нуклеотидов, трансляция – синтезом белка из аминокислот);

? требуют затрат энергии (поставщиком энергии для реакций матричного синтеза служит АТФ).

6. Участок транскрибируемой цепи ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов:

ТАЦТГГАЦАТАТТАЦААГАЦТ

Установите последовательность аминокислотных остатков пептида, закодированного этим участком.

По принципу комплементарности установим последовательность нуклеотидов соответствующей иРНК, а затем с помощью таблицы генетического кода определим последовательность аминокислотных остатков закодированного пептида.

Ответ: последовательность аминокислотных остатков пептида: Мет–Тре–Цис–Иле–Мет–Фен.

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.

? По принципу комплементарности определим процентный состав азотистых оснований соответствующей транскрибируемой цепи ДНК. Она содержит 34% цитозина (комплементарен гуанину иРНК), 18% аденина (комплементарен урацилу иРНК), 28% гуанина (комплементарен цитозину иРНК) и 20% тимина (комплементарен аденину иРНК).

? На основании состава транскрибируемой цепи определим процентный состав азотистых оснований комплементарной (нетранскрибируемой) цепи ДНК: 34% гуанина, 18% тимина, 28% цитозина и 20% аденина.

? Процентное содержание каждого типа азотистых оснований в двуцепочечной ДНК рассчитывается как среднее арифметическое процентного содержания этих оснований в обеих цепях:

Ц = Г = (34 % + 28 %) : 2 = 31 %

А = Т = (18 % + 20%) : 2 = 19 %

Ответ: соответствующий двухцепочечный участок ДНК содержит по 31% цитозина и гуанина, по 19% аденина и тимина.

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

Потере ядра предшествует интенсивная транскрипция генов, кодирующих полипептидные цепи гемоглобина. В гиалоплазме накапливается большое количество соответствующих иРНК, поэтому синтез гемоглобина продолжается даже после утраты клеточного ядра.

* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.

Хранящаяся в ДНК генетическая информация реализуется в процессе биосинтеза белка.

ДНК сосредоточена в ядре клетки, а белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах. Для биосинтеза белка необходимо доставить генетическую информацию из ядра клетки к рибосомам. Роль посредника, обеспечивающего передачу генетической информации от ядра клетки к рибосомам, выполняют матричные, или информационные, РНК (мРНК, или иРНК).

Матричные РНК представляют собой полинуклеотидные цепочки с молекулярными массами от 150 тысяч до 5 миллионов дальтон. Они синтезируются в ядре клетки. В ходе биосинтеза мРНК генетическая информация «переписывается» с небольшого участка ДНК, включающего один или несколько генов, на молекулу мРНК. Синтез матричной РНК на значащей нити ДНК получил название транскрипции (лат. «transcriptio » - переписывание).

Процесс транскрипции генетической информации сходен с процессом репликации ДНК. Биосинтез мРНК начицается с расплетания двойной спирали ДНК на небольшом участке.

Свободные рибонуклеозидтрифосфаты с помощью Водородных связей присоединяются к нуклеотидам расплетенного участка ДНК в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований.

Образование мРНК происходит путем переноса от рибонуклеозидтрифосфатов остатков рибонуклеотидов к третьему атому углерода рибозы концевого нуклеотида синтезируемой полинуклеотидной цепи. При этом происходит разрыв Макроэргических связей в молекулах рибонуклеозидтрифосфатов с выделением пирофосфата, что обеспечивает процесс транскрипции необходимой энергией. Биосинтез мРНК катализирует фермент РНК-полимераза.

Большую роль в процессе транскрипции играют специальные белки, которые тонко регулируют его ход.

Синтезированная в процессе транскрипции мРНК Поступает из ядра клетки в рибосому - цитоплазматическую серганеллу, по химической природе представляющую собой нукдеопротеид - сложный белок, небелковым компонентом которого является рибонуклеиновая кислота.

РНК, участвующие в построении тела рибосомы («рибонуклеиновая кислота» + гр. «сома» - тело), называют рибосомальными (рРНК). Рибосомы построены из двух субчастиц - большой и малой. В построении каждой из них участвуют большое количество разных белков и различные рРНК. Молекулярная масса рибосомальных РНК колеблется от 55000 до 1600000 дальтон и более. Синтез рРНК, также как и синтез мРНК, происходит в ядре клетки и контролируется ДНК.

Матричная РНК закрепляется в рибосоме. Теперь рибосоме необходимо воспроизвести полученную информацию, записанную в нуклеотидной последовательности мРНК четырехбуквенным «языком» азотистых оснований, на двадцатибуквенном «языке» в виде последовательности аминокислот в полипептидной цепочке синтезируемого белка. Процесс перевода генетической информации с «языка» азотистых оснований на «язык» аминокислот называют трансляцией (лат. «translation» - передача).

Доставку аминокислот к рибосомам обеспечивают транспортные РНК (тРНК). Молекулярные массы тРНК относительно невелики и варьируют в пределах от 17000 до 35000 дальтон. Синтезом тРНК в клетке управляет ДНК.

Процесс биосинтеза белка требует энергетических затрат. Для того чтобы аминокислоты соединились друг с другом пептидной связью, их необходимо активировать. Аминокислоты активируются с участием АТФ и тРНК. Эти реакции катализирует фермент аминоацил-тРНК-синтетаза.

Реакции активирования каждой из протеиногенных аминокислот катализируются своей аминоацил-тРНК-синтетазой.

Эти ферменты позволяют аминокислотам и тРНК безошибочно узнавать друг друга. В результате каждая аминокислота присоединяется к конкретной тРНК. Транспортные РНК называют по присоединяющейся аминокислоте, например: валиновая тРНК, аланиновая тРНК, сериновая тРНК и т. д.

Полинуклеотидные цепочки тРНК имеют пространственную структуру, напоминающую по форме клеверный лист. К одному из концов тРНК присоединяется аминокислота. На другой стороне молекулы тРНК в одной из петель «клеверного листа» имеется триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Этот антикодон комплементарен одному из триплетов мРНК - кодону. Генетический код кодона соответствует аминокислоте, соединенной с тРНК, обладающей комплементарным антикодоном.

Кодоны в зрелой мРНК следуют один за другим непрерывно: они не отделены друг от друга некодирующими участками и не перекрываются.

Аминоацил-тРНК последовательно поступают в рибосомы.

Здесь всякий раз между комплементарными антикодоном тРНК и кодоном мРНК возникают водородные связи. При этом аминогруппа последующей аминокислоты взаимодействует с

Карбоксильной группой предыдущей аминокислоты с образованием пептидной связи.

Синтез любого белка в клетке всегда начинается с N-конца. После образования между аминокислотами пептидной связи рибосома перемещается вдоль цепи мРНК на один кодон. Когда рибосома достигает участка мРНК, содержащего один из трех «бессмысленных» триплетов - УАА, УАГ или УГА, дальнейший синтез полипептидной цепи обрывается. Для этих триплетов в клетке не существует тРНК с комплементарными антикодонами. «Бессмысленные» триплеты располагаются в конце каждого гена и показывают, что синтез данного белка на этом необходимо завершить. Поэтому эти триплеты называют терминирующими (лат. «terminalis» - конечный). По окончании процесса трансляции генетического кода полипептидная цепочка покидает рибосому и формирует свою пространственную структуру, после чего белок приобретает способность к реализации присущей ему биологической функции. Процесс реализации генетической информации в результате транскрипции и трансляции называют экспрессией (лат. «expressio» - выражение) гена.

Биосинтез белка в клетке протекает не на отдельной рибосоме.

Матричная РНК связывается одновременно с несколькими рибосомами, при этом образуется полирибосомальный комплекс. В результате в клетке происходит синтез сразу нескольких одинаковых молекул белка.

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 (a-спираль, склад­чатый v- 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 a-цепи и две v-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.

Вспомните!

Какова структура белков и нуклеиновых кислот?

Длинные белковые цепи построены всего из 20 различных типов аминокислот, имеющих общий план строения, но отличающихся друг от друга по строению радикала. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют так называемые пептидные связи. Закручиваясь в виде спирали, белковая нить приобретает более высокий уровень организации - вторичную структуру. И наконец, спираль полипептида сворачивается, образуя клубок (глобулу). Именно такая третичная структура белка и является его биологически активной формой, обладающей индивидуальной специфичностью. Однако для ряда белков третичная структура не является окончательной. Вторичная структура – это полипептидная цепь, закрученная в спираль. Для более прочного взаимодействия во вторичной структуре, происходит внутримолекулярное взаимодействие с помощью –S–S– сульфидных мостиков между витками спирали. Это обеспечивает прочность данной структуры. Третичная структура – это вторичная спиральная структура закручена в глобулы – компактные комочки. Эти структуры обеспечивают максимальную прочность и большую распространенность в клетках по сравнению с другими органическими молекулами.

ДНК – двойная спираль, РНК – одинарные цепи, состоящие из нуклеотидов.

Какие типы РНК вам известны?

и-РНК, т-РНК, р-РНК.

и-РНК – синтезируется в ядре на матрице ДНК, является основой для синтеза белка.

т-РНК – транспорт аминокислот к месту синтеза белка – к рибосомам.

Где образуются субъединицы рибосом?

р-РНК – синтезируется в ядрышках ядра, и образует сами рибосомы клетки.

Какую функцию рибосомы выполняют в клетке?

Биосинтез белка – сборка белковой молекулы

Вопросы для повторения и задания

1. Вспомните полное определение понятия «жизнь».

Ф. Энгельс «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования»

2. Назовите основные свойства генетического кода и поясните их значение.

Код триплетен и избыточен – из 4 нуклеотидов можно создать 64 разных триплетов, т.е. закодировать 64 аминокислоты, но в живом используется только 20.

Код однозначен – каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.

Между генами имеются знаки препинания – знаки необходимы для правильной группировки в триплеты монотонной последовательности нуклеотидов, т.к. между триплетами нет знаков раздела. Роль разметки генов выполняют три триплета, не кодирующие никаких аминокислот – УАА, УАГ, УГА. Они означают конец белковой молекулы, как точка в предложении.

Внутри гена нет знаков препинания – поскольку генкод подобен языку; посмотрим это свойство на примере фразы:

ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ

Ген хранится в таком виде:

ЖИЛБЫЛКОТТИХБЫЛСЕРМИЛМНЕТОТКОТ

Смысл будет восстановлен, если правильно сгруппировать тройки, даже при отсутствии знаков препинания. Если же мы начнем группировку со второй буквы (второго нуклеотида), то получится такая последовательность:

ИЛБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ ИЛМ НЕТ ОТК ОТ

Эта последовательность уже не имеет биологического смысла, и если она будет реализована, то получится чужеродное для данного организма вещество. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания и завершение.

Код универсален – един для всех живущих на Земле существ: у бактерии, грибов, человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

3. Какие процессы лежат в основе передачи наследственной информации из поколения в поколение и из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка?

В основе передачи наследственной информации из поколения в поколение лежит мейоз. Транскрипция (от лат. transcription - переписывание). Информация о структуре белков хранится в виде ДНК в ядре клетки, а синтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме. В качестве посредника, передающего информацию о строении определённой белковой молекулы к месту её синтеза, выступает информационная РНК. Трансляция (от лат. trans lation - передача). Молекулы иРНК выходят через ядерные поры в цитоплазму, где начинается второй этап реализации наследственной информации - перевод информации с «языка» РНК на «язык» белка.

4. Где синтезируются все виды рибонуклеиновых кислот?

Все виды РНК синтезируются на матрице ДНК.

5. Расскажите, где происходит синтез белка и как он осуществляется.

Этапы биосинтеза белка:

– Транскрипция (от лат. переписывание): процесс синтеза и-РНК на матрице ДНК, это перенос генетической информации с ДНК на РНК, транскрипция катализируется ферментом РНК-полимеразой. 1) Движения РНК-полимеразы – расплетание и восстановление двойной спирали ДНК, 2) Информация с гена ДНК – на и-РНК по принципу комплементарности.

– Соединение аминокислот с т-РНК: Строение т-РНК: 1) аминокислота ковалентно присоединяется т-РНК с помощью фермента т-РНК-синтетазы соответвственно антикодону, 2) К черешку листа т-РНК присоединяется определенная аминокислота

– Трансляция: рибосомный синтез белка из аминокислот на и-РНК, протекающий в цитоплазме. 1) Инициация - начало синтеза. 2) Элонгация - собственно синтез белка. 3) Терминация - узнавание стоп-кодона – окончание синтеза.

6. Рассмотрите рис. 45. Определите, в каком направлении - справа налево или слева направо - движется относительно и-РНК изображённая на рисунке рибосома. Докажите свою точку зрения.

и-РНК движется свела направо рибосома всегда движется в противоположном направлении, чтобы не мешать процессы, так как на одной нити и-РНК одновременно может сидеть несколько рибосом (полисома). А также показано в какую сторону движутся т-РНК – справа налево как и рибосома.

Подумайте! Вспомните!

1. Почему углеводы не могут выполнять функцию хранения информации?

Нет принципа комплементарности у углеводов, невозможно создавать генетические копии.

2. Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?

Образование в клетках других органических молекул, таких как жиры, углеводы, витамины и т. д., связано с действием белков-катализаторов (ферментов). Например, ферменты, обеспечивающие синтез жиров у человека, «делают» человеческие липиды, а аналогичные катализаторы у подсолнечника - подсолнечное масло. Ферменты углеводного обмена у животных образуют резервное вещество гликоген, а у растений при избытке глюкозы синтезируется крахмал.

3. При каком структурном состоянии молекулы ДНК могут быть источниками генетической информации?

В состоянии спирализации, так как в таком состоянии ДНК входит в состав хромосом.

4. Какие особенности строения молекул РНК обеспечивают их функцию переноса информации о структуре белка от хромосом к месту его синтеза?

и-РНК – синтезируется в ядре на матрице ДНК, является основой для синтеза белка. Состав РНК – нуклеотиды комплементарные нуклеотидам ДНК, малый размер по сравнению с ДНК (что обеспечивает выход из ядерных пор).

5. Объясните, почему молекула ДНК не могла быть построена из нуклеотидов трёх типов.

Код триплетен и избыточен – из 4 нуклеотидов можно создать 64 разных триплетов (43), т.е. закодировать 64 аминокислоты, но в живом используется только 20. Это необходимо для замены любого нуклеотида, если вдруг в клетке его нет, то нуклеотид будет автоматически заменен на аналогичный, кодирующий эту же аминокислоту. Если бы было три нуклеотида, то 33 это будет всего 9 аминокислот, что невозможно, так как необходимо 20 аминокислот для любого организма.

6. Приведите примеры технологических процессов, в основе которых лежит матричный синтез.

Матричный принтер,

Нанотехнологии,

Матрица фотоаппарата

Матрица экрана ноутбука

Матрица жидко-кристаллических экранов

7. Представьте, что в ходе некоего эксперимента для синтеза белка были взяты тРНК из клеток крокодила, аминокислоты мартышки, АТФ дрозда, иРНК белого медведя, необходимые ферменты квакши и рибосомы щуки. Чей белок был в итоге синтезирован? Объясните свою точку зрения.

Генетический код зашифрован в и-РНК, значит – белого медведя.