Процесс транскрипции наследственной информации происходит на уровне. Наследственная информация: хранение и передача

Этапы реализации генетической информации

I. Транскрипция - синтез всœех видов РНК на матрице ДНК. Транскрипция, или переписывание, происходит не на всœей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определœенный белок (ген). Условия, необходимые для транскрипции:

а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков- ферментов

б) наличие строительного материала в виде АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменты трансктипции - РНК-полимеразы I, II, III

г) енергия в виде АТФ.

Транскрипция происходит по принципу комплементарности. При этом с помощью специальных белков-ферментов участок двойной спирали ДНК раскручивается, является матрицей для синтеза иРНК. Далее вдоль цепи ДНК

движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды по принципу комплементарности в растущую цепь РНК. Далее одноцепочечная РНК отделяется от ДНК и через поры в мембране ядра покидает клеточное ядро (рис. 5)

Рис. 5 Схематическое изображение транскрипции.

Различия в транскрипции про- и эукариот.

По химической организации наследственного материала эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Известно, генетический материал представлен ДНК.

Наследственный материал прокариот содержится в кольцевой ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки. Гены прокариот состоят целиком из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот содержат информативные участки -экзоны, которые несут информацию об аминокислотной последовательности белков, и неинформативные участки - интроны, не несущие информации.

Соответственно, транскрипция информационной РНК у эукариот проходит в 2 этапа:

S) переписываются (транскрибируются) всœе участки (интроны и экзоны) -такая иРНК принято называть незрелой или про-иР НК.

2). процес синг - созревание матричной РНК. С помощью специальных ферментов вырезаются интронные участки, затем сшиваются экзоны. Явление сшивания екзонов принято называть сплайсингом. Посттранскрипционное дозревание молекулы РНК происходит в ядре.

II. Трансляция (translation), или биосинтез белка. Суть трансляции -перевод четырехбуквенного шифра азотистых оснований на 20-буквенный ʼʼсловарьʼʼ аминокислот.

Процесс трансляции состоит в переносœе закодированной в иРНК генетический информации в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется биосинтез белка в цитоплазме на рибосомах и состоит из нескольких этапов:

1. Подготовительный этап (активация аминокислот), состоит в ферментативном связывании каждой аминокислоты с своей тРНК и образовании комплекса аминокислота - тРНК.

2. Собственно синтез белка, который включает три стадии:

а) инициация - иРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, первыми кодонами, инициирующими, являются АУТ или ГУГ. Этим кодонам соответствует комплекс метионил -тРНК. Вместе с тем, в инициации участвует три белковых: фактора, облегчающие связывание мРНК с большой субчастицей рибосомы, образуется инициаторный комплекс

б) элонгация - удлинœение полипептидной цепочки. Процесс осуществляется в 3 шага и состоит в связывании кодона мРНК с антикодоном тРНК по принципу комплементарности в активном центре рибосомы, затем в образовании пептидной связи между двумя остатками аминокислот и перемещении дипептида на шаг вперёд и, соответственно, передвижения рибосомы вдоль иРНК на один ко дон вперед

в) терминация - окончание трансляции, зависит от присутствия в иРНК терминирующих кодонов или "стоп-сигналов" (УАА,УГА,УАГ) и белковых ферментов - факторов терминации (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляции

а) стадия элонгации;

б) поступления синтезированного белка в эндоплазматическую сеть

В клетке для синтеза белка используется не одна, а несколько рибосом. Такой работающий комплекс иРНК с несколькими рибосомами принято называть полирибосомой . В таком случае синтез белка происходит быстрее, чем при использовании только одной рибосомы.

Уже в ходе трансляции белок начинает укладываться в трёхмерную структуру, а при крайне важно сти в цитоплазме принимает четвертичную организацию.

Рис 7 Роль нуклеиновых кислот в передаче генетической информации

Лексико-грамматические задания:

являться

определяться

кодироваться чем

характеризоваться

называться

Задание №1. Слова и словосочетания, данные в скобках, напишите в правильной форме.

1. Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются (структура специфических белков).

2. Последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепочке определяется (последовательность) нуклеотидов в участке ДНК, котрый принято называть (ген), а последовательность нуклеотидов в ДНК принято называть (генетический код).

3. Каждая аминокислота кодируется (группа из трёх нуклеотидов), которая принято называть (триплет).

4. Генетический код характеризуется (следующие признаки: триплетность, вырожденность, непрекрываемость, линœейность и отсутствие запятых, универсальность).

5. 20 аминокислот кодируются (одни и те же триплеты).

Задание №2. Вместо точек используйте краткие и полные формы причастия, образованные от глаголов кодироваться - закодироваться.

1. Последовательность нуклеотидов в ДНК, ... определённые аминокислоты в молекуле белка, принято называть генетическим кодом.

2. Одна и та же кислота должна быть... несколькими триплетами.

3. 20 аминокислот... одними и теми же триплетами.

4. Различают структурные гены, ... структурные и ферментные белки, а так же гены с информацией для синтеза тРНК и рРНК и др.

5. Следующим этапом реализации генетической информации, ... в гене, является транскрипция.

принципиально (не) отличаются существенно по какому признаку

значительно

По химической организации материала наследственности эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Генетический материал у них представлен ДНК.

Задание№3. Прочитайте часть текста ʼʼРазличие транскрипции у про- и эукариотʼʼ. Расскажите о этапах реализации наследственной информации.

Задание №4. Закончите предложения, опираясь на информацию текста.

1. Наследственный материал прокариот содержится в....

2. Гены прокариот состоят целиком из....

3. Гены эукариот содержат....

4. Транскрипция у эукариот происходит в....

5. Трансляция состоит в переносœе закодированной в иРНК генетической информации в....

6. Трансляция осуществляется в цитоплазме на....

Задание №5. Составьте схему этапов трансляции и расскажите по схеме о поэтапном осуществлении трансляции.

Решение типовых задач

Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причем, у эукариот последовательность нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки про и-РНК. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у прокариот;

б) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у еукариот;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь белок, кодируемый данным участком гена у про- и эукариот.

Тема 9. Ген, его строение и функции.

Известно, что материальными носителями генетической информации являются гены. Ген - элементарная единица наследственности, определяющая развитие какого-либо признака организма. Гены находятся в хромосомах и

занимают определœенное место - локус. С точки зрения молекулярной биологии ген - это участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о синтезе определённого белка. Этапы реализации генетической информации, закодированной в гене, можно представить в виде схемы:

Молекулярные механизмы реализации генетич неской инф ормации

Основные положения теории гена:

1. Ген занимает определённое место (локус) в хромосоме.

2. Ген (цистрон) - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов и представляет собой функциональную единицу наследственной информации. Количество нуклеотидов, входящих в состав различных генов, разное.

3. В пределах одного гена могут наблюдаться рекомбинации (обмен участками. Такие участки цистрона называются реконами.

4. Участки, в которых может изменяться последовательность нуклеотидов, называются мутонами.

5. Существуют функциональные и структурные гены. Структурные гены кодируют синтез белковой молекулы. Различают структурные гены, кодирующие как структурные белки, так и ферментные белки, а также гены с информацией о синтезе тРНК, рРНК и др.

6. Функциональные гены не кодируют белок, а контролируют и направляют деятельность структурных генов.

7. Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах коллинœеарно соответствует расположению аминокислот в молекуле белка.

8. Участки молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к восстановлению, ᴛ.ᴇ. к репарации, в связи с этим, не всœе изменения последовательности нуклеотидов в участке ДНК ведут к мутациям.

9. Генотип состоит из отдельных генов (дискретен), но функционирует как единое целое, т.к. гены способны взаимодействовать, влиять друг на друга. На функцию генов влияют факторы как внутренней, так и внешней среды.

Ген имеет ряд свойств:

Дискретность действия;

Стабильность (постоянство);

Передача наследственной информации в неизменяющемся виде, при отсутствии мутации;

Лабильность (изменение) генов, связана с их способностью к мутациям;

Специфичность - каждый ген обуславливает развитие определённого признака;

Плейотропия - один ген может отвечать за несколько признаков;

Экспрессивность - степень выраженности признака;

Пенентратность - частота проявления гена среди его носителœей.

Геном человека содержит около 30 тысяч различных генов. Одни из них активны, другие - заблокированы. Весь объём генетической информации находится под строгим контролем регуляторных механизмов. Все гены взаимосвязаны между собой, образуя единую систему. Регуляция их активности осуществляется по сложным механизмам.

Сюда включаются процессы регуляции активности генов на этапах транскрипции (до, во время, после неё), трансляции (до, во время, после неё), а также согласованной каскадной групповой регуляции работы генов (их экспрессии), участии в данном процессе гормонов (сигнальных веществ), химической модификации ДНК (рис.8).

Рис. 8. Схема регуляции транскрипции структурных генов у прокариотической клетки по типу индукции.

Экспрессия (проявление активности гена) отдельного гена зависит от того, в каком состоянии данный ген находится. По этой причине существует различная пене нтрантности (процентное количественное фенотипическое проявление

гена) и экспрессивности (степень выраженности гена). Эти понятия были впервые введены в генетику М.В.Тимофеевым-Рессовским. Конкретный генотип человека определяется фенотипической степенью выраженности патологического признака, детерминированным определœенным геном (экспрессивностью), даже вплоть до отсутствия клинической картины патологии при наличии в генотипе мутантных аллелœей.

Лексико-грамматические задания:

Задание №1. Замените придаточные определительные причастным оборотом.

1. Ген - единица наследственности, которая определяет развитие какого-либо одного признака.

2. Гены, которые находятся в хромосомах, занимают определённое место - локус.

3. Реализацию информации, которая закодирована в гене, представляют в виде схемы.

4. Ген - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов.

5. Количество нуклеотидов, которые входят в состав различных генов, разное.

Задание №2. Замените пассивные конструкции активными.

1. Синтез белковой молекулы кодируется структурными генами.

2. Деятельность структурных генов контролируется и направляется функциональными генами.

что влияет на что Гены способны влиять друг на друга. на функцию чего влияют факторы внутренней и внешней среды

Задание №3. Напишите предложения, раскрывая скобки.

1. Экзонные участки генов кодируют (первичная структура белка).

2. Интронные участки гена играют (структурная, вспомогательная роль).

3. Ген - часть молекулы ДНК, которая представляет собой (функциональная единица наследственной информации).

Задание №4. прочитайте часть текста об базовых положениях теории генов и напишите определœения: а) локуса, б) реконов, в) мутонов.

Задание №5. Используя данную информацию, закончите фразы.

1. Стабильностью принято называть 1.... передавать наследственную свойство генов... информацию в неизменяющемся

2. Лабильность генов - это... 2.... степень выраженности

признака.

3. Пенентральность генов - это 3.... частота проявления гена

среди его носителœей.

4. Экспрессивность генов - ... 4.... связана с их способностями к

мутациям

Решение типовых задач

1. Участок структурного гена имеет следующую последовательность нуклеотидов:

АТА-ЦИА-А1^-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА

АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь про-иРНК, транскрибируемая с этого участка;

б) известно, что кодоны 3,4,5,9,10,11,12 у про-иРНК входит в состав интронов. Какую последовательность будет иметь иРНК;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь фрагмент белка, кодируемый указанным участком гена;

г) напишите, какие антикодоны должны быть у тРНК, обеспечивающих синтез данного фрагмента белка.

2. Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Следует отметить, что последовательности нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки у эукариот. Определите:

а) последовательность нуклеотидов в первичном транскрипте у еукариот;

б) как принято называть созревание иРНК? Определите нуклеотидную последовательность в иРНК.

в) какое различие в последовательности аминокислот в белках у прокариот и еукариот. Объясните причину этого различия.

Этапы реализации генетической информации - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Этапы реализации генетической информации" 2017, 2018.

1.5. Этапы реализации генетической информации в клетке

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 (см. также гл. 3). 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 (см. подразд. 1.2), либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов (трансляцией) (рис. 1.14). Как известно, каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.

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, при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы), 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 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" → 3" на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 1.15). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке, — матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).

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.

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 (см. также подразд. 1.6). Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5"-ТАТААТ-3" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 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. 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.

Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области 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 большего числа полипептидных 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 (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то 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 экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной 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 β-глобиновой цепочки (рис. 1.16), структура которого обсуждалась ранее (см. рис. 1.13).

В процессинге принимают участие и 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 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 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах

процессинга гена β-глобина человека (см. рис. 1.16) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса. Как видно из рис. 1.17, на 5"-конце последовательности имеется короткий нетранслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком "минус". Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона β-гена (заштрихована на рис. 1.16). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap — колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью три-фосфатной 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.

Модификация 3 "-конца мРНК β-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона β-гена (см. рис. 1.16), связана с образованием полиаденилового (поли А) "хвоста" молекулы, состоящего из 100 — 200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на 3"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (см. рис. 1.17). 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" → 3"). Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) практически 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

Рис. 1.17. Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК -глобинового гена человека. Последовательность начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУГ) 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 3"-конце 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. Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются 2 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. Как видно из рис. 1.18, рибосома содержит 2 участка, имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенные как P-участок (аминоацильный) и Р- 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.

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 в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на 3"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.7). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-

синтетазы с использованием энергии аденозинтрифосфатов (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" Р-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы (рис. 1.19). 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, а у бактерий — формилметионин. Поскольку синтез пояипептида всегда начинается с N-конца и нарастает 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 ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 1.17).

После образования инициирующего комплекса в "недостроенном" Р-участке (см. рис. 1.19) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к "достраиванию" Р-участка и A-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать A-участок на основе принципа

комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (см. рис. 1.19).

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"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -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.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в Л-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.

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 (рис. 1.20). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

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. 1.21), состоящей из

двух α-цепочек и двух β-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей. Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу тема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

Базисные термины и понятия: акцепторный конец тРНК; аминоацил-тРНК; антикодон; гяРНК (про-РНК); инициация транскрипции и трансляции; инициирующая аминоацил-тРНК и аминокислота; инициирующий кодон мРНК; комплементарность; кэп; лидирующий 5"-конец мРНК; матричность; модификация концов молекулы мРНК; моногенная молекула мРНК; мРНК (иРНК); мяРНК; обратная транскриптаза (ревертаза); обратная транскрипция; общий перенос; перенос (передача) информации; полигенная молекула мРНК; полипептид; полирибосома (полисома); посттрансляционная модификация полипептида; промотор; процессинг РНК и полипептида; рибосома; РНК-полимераза; рРНК; специализированный перенос; сплайсинг; стартовая точка транскрипции; терминатор; терминация транскрипции и трансляции; транскрипт; транскрипция генетической информации; трансляция генетической информации; тРНК; элонгация транскрипции и трансляции; A-участок рибосомы; Р-участок рибосомы.

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.

1. Дайте определения понятий.
Генетический код – набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка.
Триплет – три стоящих подряд нуклеотида.
Антикодон – участок в тРНК, состоящий из трех неспаренных нуклеотидов, специфически связывающийся с кодоном мРНК.
Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках.
Трансляция – процесс синтеза белка из аминокислот на матрице иРНК (мРНК), осуществляемый рибосомой.

2. Сравните понятия «генетическая информация» и «генетический код». В чем их принципиальные отличия?
Генетическая информация – информация о строении белков, закодированная с помощью последовательности нуклеотидов – генетического кода – в генах.
Иными словами, генетический код – принцип записи генетической информации. Информация – это сведения, а код – это то, как сведения передаются.

3. Заполните кластер «Свойства генетического кода».
Свойства: триплетность, однозначность, избыточность, неперекрываемость, полярность, универсальность.

4. В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?
Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырожденность кода).
Такая избыточность повышает надежность кода и всего механизма биосинтеза белка.

5. Объясните, что такое реакции матричного синтеза. Почему их так называют?
Это синтез сложных полимерных молекул в живых клетках, происходящий на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез происходит при репликации ДНК, при транскрипции и трансляции. Он лежит в основе процесса воспроизведения себе подобного.

6. Зарисуйте схематично молекулу тРНК и подпишите ее основные части.

7. Заполните таблицу.

РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА

8. Одна из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
Ц-Т-Т-А-А-Ц-А-Ц-Ц-Ц-Ц-Т-Г-А-Ц-Г-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-Г-Г-Ц-Ц-Г
Напишите структуру иРНК, синтезированной на этой цепи. Каким будет аминокислотный состав фрагмента белка, синтезированного на основе этой информации в рибосоме?
иРНК
Г-А-А-У-У-Г-У-Г-Г-Г-Г-А-Ц-У-Г-Ц-А-Ц-У-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Г-Г-Ц-
Полипептидная цепь
Глу-ле-трп-гли-лей-гис-цис-ала-гли.

9. Изобразите схематично процесс синтеза белка.

10. Заполните таблицу.

ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ

11. Прочитайте § 2.10 и подготовьте ответ на вопрос: «Почему расшифровка генетического кода является одним из важнейших научных открытий современности?»
Расшифровка генетического кода, т. е. определение «смысла» каждого кодона и тех правил, по которым считывается генетическая информация, считается одним из наиболее ярких достижений молекулярной биологии.
Доказано, что код универсален для живого. Открытие и расшифровка кода может помочь найти пути лечения различных хромосомных, геномных заболевания, изучить механизм процессов обмена веществ на клеточном и молекулярном уровне.
Стремительно накапливается огромное количество экспериментальных данных. Начался новый этап изучения ДНК. Молекулярная биология обратилась к гораздо более сложным надмолекулярными и клеточным системам. Оказалось возможным подойти к проблемам, связанным с молекулярной генетикой эукариот, с явлениями онтогенеза.

12. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Синтез белка не может происходить:
2) в лизосоме;

Тест 2.
Транскрипция - это:
3) синтез иРНК на ДНК;

Тест 3.
Все аминокислоты, входящие в состав белка, кодируются:
4) 64 триплетами.

Тест 4.
Если для синтеза белка взять рибосомы морского окуня, ферменты и аминокислоты серой вороны, АТФ прыткой ящерицы, иРНК дикого кролика, то будет синтезироваться белок:
4) дикого кролика.

13. Установите соответствие между свойствами генетического кода и их характеристиками.
Свойства генетического кода
1. Триплетность

3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность
Характеристика
A. Каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета
Б. Генетический код одинаков у всех живых организмов Земли
B. Одну аминокислоту кодируют три стоящих подряд нуклеотида
Г. Некоторые триплеты определяют начало и конец трансляции
Д. Каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту
Е. Аминокислота может определяться более чем одним триплетом.

14. Вставьте недостающий элемент.
Нуклеотид – Буква
Триплет – Слово
Ген – Предложение

15. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

16. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – транскрипция.
Соответствие – термин соответствует первоначальному значению, так как идет перенос генетической информации с ДНК на РНК.

17. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.10.
Генетическая информация у живых организмов записан при помощи генетического кода. Код – это набор сочетаний из трех нуклеотидов (триплетов), кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка. Код обладает свойствами:
1. Триплетность
2. Вырожденность (избыточность)
3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность.
Процессы, при помощи которых синтезируются сложные полимерные молекулы в живых клетках, происходят на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез – это репликация ДНК, транскрипция и трансляция.

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.