МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

К числу важнейших научных событий нашего века следует отнести открытие того факта, что генетическая информация кодируется молекулой ДНК. Именно ДНК служит химической основой наследственности.

Роль генетической информации в формировании специфических структур клетки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Знание структуры и функций нуклеиновых кислот необходимо для понимания сути генетических процессов, происходящих в клетках.

Нуклеозиды, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения, состоящие из мономеров-нуклеотидов, связанных между собой фосфодиэфирными связями. В зависимости от остатка сахара, входящего в состав нуклеотидов  выделяют ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые кислоты).

Функции нуклеиновых кислот:

ДНК. В виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК закодирована генетическая информация, которая служит двум целям:

1) информация используется для синтеза белка, т.е. реализуется в трехмерном пространстве;

2) с помощью ДНК осуществляется передача информации новым поколениям.

Обе функции основаны на том, что ДНК служит матрицей в процессах копирования информации.

РНК. Существует несколько видов РНК в клетке, почти все они вовлечены в процесс биосинтеза белка.

Цитоплазматические РНК:

матричная РНК (мРНК) или информационная РНК (иРНК) – выполняет функцию матрицы белкового синтеза в рибосомах.

рибосомная РНК (рРНК) – исполняет роль структурных компонентов рибосом.

транспортная РНК (тРНК) – участвует в переводе информации нуклеотидной последовательности в мРНК на язык аминокислот в белках.

Структурные компоненты нуклеиновых кислот.

Рассмотрим структурные компоненты нуклеиновых кислот в порядке усложнения их строения. Нуклеотиды состоят из трех частей: гетероциклического основания, остатка сахара и одного или нескольких остатков фосфорной кислоты.

Гетероциклические основания, входящие в состав нуклеиновых кислот (нуклеиновые основания), - это гидрокси- и аминопроизводные пиримидина и пурина. Нуклеиновые кислоты содержат три гетероциклических основания с пиримидиновым циклом (пиримидиновые основания) и два - с пуриновым циклом (пуриновые основания). Нуклеиновые основания имеют тривиальные названия и соответствующие однобуквенные обозначения.

В составе нуклеиновых кислот гетероциклические основания находятся в термодинамически стабильной оксоформе.

Кроме этих групп нуклеиновых оснований, называемых основными, в нуклеиновых кислотах в небольших количествах встречаются минорные основания: 6-оксопурин (гипоксантин), 3-N-метилурацил, 1-N-метилгуанин и др.

Нуклеиновые кислоты включают остатки моносахаридов – D-рибозы и 2-дезокси –D-рибозы. Оба моносахарида присутствуют в нуклеиновых кислотах в b-фуранозной форме.

Нуклеозиды.

Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и рибозой или дезоксирибозой.

Между аномерным атомом углерода моносахарида и атомом азота в положении 1 пиримидинового цикла или атомом азота в положении 9 пуринового цикла образуется b-гликозидная связь.

В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеозиды делят на рибонуклеозиды (содержат остаток рибозы) и дезоксирибонуклеозиды (содержат остаток дезоксирибозы). Названия нуклеозидов строят на основе тривиальных названий нуклеиновых оснований, добавляя окончание –идин для производных пиримидина и -озин для производных пурина. К названиям дезоксирибонуклеозидов добавляют приставку дезокси-.  Исключение составляет нуклеозид, образованный тимином и дезоксирибозой, к которому приставка дезокси- не добавляется, так как тимин образует нуклеозиды с рибозой лишь в очень редких случаях.

Для обозначения нуклеозидов используются однобуквенные обозначения, входящих в их состав нуклеиновых оснований. К обозначениям дезоксирибонуклеозидов ( за исключением тимидина) добавляется буква «д».

Наряду с представленными на схеме основными нуклеозидами в составе нуклеиновых кислот встречаются минорные нуклеозиды, содержащие модифицированные нуклеиновые основания (см. выше).

В природе нуклеозиды встречаются также в свободном состоянии, преимущественно в виде нуклеозидных антибиотиков, которые проявляют противоопухолевую активность. Нуклеозиды-антибиотики имеют некоторые отличия от обычных нуклеозидов в строении либо  углеводной части, либо гетероциклического основания, что позволяет им выступать в качестве антиметаболитов, чем и объясняется их антибиотическая активность.

Как N-гликозиды, нуклеозиды устойчивы к действию щелочей, но расщепляются под действием кислот с образованием свободного моносахарида и нуклеинового основания. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются значительно легче пиримидиновых.

Нуклеотиды.

Нуклеотиды – это эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты (нуклеозидфосфаты). Сложноэфирную связь с фосфорной кислотой образует ОН группа в положении 5^/ или 3^/ моносахарида. В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеотиды делят на рибонуклеотиды (структурные элементы РНК) и дезоксирибонуклеотиды (структурные элементы ДНК). Названия нуклеотидов включают название нуклеозида с указанием положения в нем остатка фосфорной кислоты. Сокращенные обзначения нуклеозидов содержат обозначение нуклеозида, остатка моно-, ди- или трифосфорной кислоты, для 3^/-производных указывается также  положение фосфатной группы.

Нуклеотиды являются мономерными звеньями, из которых построены полимерные цепи нуклеиновых кислот. Некоторые нуклеотиды выполняют роль коферментов и участвуют в обмене веществ.

Номенклатура нуклеотидов и нуклеозидов

Основание	Нуклеозид		Нуклеотид
	Рибоза	Дезоксирибоза	Рибоза	Дезоксирибоза
Аденин	аденозин	дезоксиаденозин	адениловая кислота (аденилат), аденозин-монофосфат	дезоксиаде-ниловая кислота (дезоксиаде-нилат), дезоксиаде-нозинмоно-фосфат
Гуанин	гуанозин	дезоксигуанозин	гуаниловая кислота (гунилат), гуанозин-монофосфат	дезоксигуа-ниловая кислота (дезоксигуа-нилат), дезоксигуанозинмоно-фосфат
Цитозин	цитидин	дезоксицитидин	цитидиловая кислота (цитидилат) цитидинмо-нофосфат	дезоксици-тидиловая кислота
Тимин	-	тимидин	-	тимидило-вая кислота (тимидилат) тимидинмо-нофосфат
Урацил	уридин	-	уридиловая кислота (уридилат) уридинмонофосфат	-

Положение фосфатной группы в молекуле нуклеотида указывается цифрой. Например, аденозин с фосфатной группой, присоединенной к 3-му углероду рибозы, должен быть обозначен как аденозин-3'-монофосфат. Штрих после цифры ставят для того, чтобы отличить номер углерода в пуриновом или пиримидиновом основании от положения этого атома в остатке рибозы.

Нуклеозиды, содержащие аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил принято обозначать буквами A, G, C, T ,U (А, Г, Ц, Т, У) соответственно. Наличие буквы d (д) перед сокращением обозначает, что углеводным компонентом нуклеозида является 2'-дезоксирибоза. Как правило, в тех случаях, когда фосфат присоединен к углероду 5-рибозы или дезоксирибозы, символ 5/ опускается. Так, гуанозин 5'-монофосфат принято обозначать GMP (ГМФ), а 2'-дезоксигуанозин-5'-монофосфат - dGTP (дГТФ).

Если к углеводному остатку нуклеозида присоединены 2 или 3 остатка фосфорной кислоты, используется аббревиатура DP (ДФ) - дифосфат, или TP (ТФ) - трифосфат. Т.о., аденозин с тремя фосфатными группами в 5'положении углевода будет называться аденозин-5'-трифосфат и обозначаться ATP (АТФ).

Природные биологически активные нуклеотиды.

Нуклеотидные коферменты.

Коферменты – это органические соединения небелковой природы, которые необходимы для осуществления каталитического действия ферментов. Коферменты относятся к разным классам органических соединений. Важную группу коферментов составляют нуклеозидполифосфаты.

Аденозинфосфаты – производные аденозина, содержащие остатки моно-, ди- и трифосфорных кислот. Особое место занимают аденозин-5^/-моно-, ди- и трифосфаты -  АМФ, АДФ и АТФ - макроэргические вещества, которые обладают большими запасами свободной энергии в подвижной форме. Молекула АТФ содержит макроэргические связи Р-О, которые легко расщепляются в результате гидролиза. Выделяющаяся при этом свободная энергия обеспечивает протекание сопряженных с гидролизом АТФ термодинамически невыгодных анаболических процессов, например, биосинтез белка.

Кофермент А. Молекула этого кофермента состоит из трех структурных компонентов: пантотеновой кислоты, 2-аминоэтантиола и АДФ.

Кофермент А участвует в процессах ферментативного ацилирования, активируя карбоновые кислоты путем превращения их в реакционноспособные сложные эфиры тиолов.

Никотинамидадениндинуклеотидные коферменты. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺)  и его фосфат (НАДФ⁺) содержат в своем составе катион пиридиния в виде никотинамидного фрагмента. Пиридиниевый катион в составе этих коферментов способен обратимо присоединять гидрид-анион с образованием восстановленной формы кофермента - НАД Н.

 

Таким образом никотинамидадениндинуклеотидные коферменты участвуют в окислительно-восстановительных процессах, связанных с переносом гидрид-аниона, например, окислении спиртовых групп в альдегидные (превращение ретинола в ретиналь), восстановительном аминировании кетокислот, восстановлении кетокислот в гидроксикислоты. В ходе этих процессов субстрат теряет (окисление) или присоединяет (восстановление) два атома водорода в виде Н⁺ и Н^-. Кофермент служит при этом акцептором (НАД⁺) или донором (НАД Н) гидрид-иона.

Все процессы с участием коферментов являются стереоселективными. Так, при восстановлении пировиноградной кислоты образуется исключительно L-молочная кислота.

Нуклеиновые кислоты.

Строение ДНК.

Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой линейную полимерную цепь, построенную из мономеров – нуклеотидов, которые связаны между собой 3^/-5^/-фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидная цепь имеет 5'-конец и  3'- конец. На 5'-конце находится остаток фосфорной кислоты, а на 3'- конце - свободная гидроксильная группа. Нуклеотидную цепь принято записывать, начиная с 5'-конца.

В зависимости от природы моносахаридных остатков в нуклеотиде различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК и РНК различаются также по природе входящих в их состав нуклеиновых оснований: урацил входит только в состав РНК, тимин – только в состав ДНК.

                  РНК                                                                   ДНК

               Урацил                                                                Тимин

Цитозин, аденин, гуанин                                Цитозин, аденин, гуанин

Вторичная структура ДНК представляет собой комплекс двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо вокруг общей оси так, что углевод-фосфатные цепи находятся снаружи, а нуклеиновые основания направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика). Шаг спирали - 3.4 нм, на 1 виток приходится 10 пар нуклеотидов. Полинуклеотидные цепи антипараллельны, т.е. напротив 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой цепи. Две цепи ДНК неодинаковы по своему составу, но они комплементарны. Это выражается в том, что напротив аденина (А) в одной цепи всегда находится тимин (Т) в другой цепи, а напротив гуанина (Г) всегда находится цитозин (Ц). Комплементарное спаривание А с Т и Г с Ц осуществляется за счет водородных связей. Между А и Т образуется две водородные связи, между Г и Ц – три.

Комплементарность цепей ДНК составляет химическую основу важнейшей функции ДНК – хранения и передачи генетической информации. Одна цепь является кодирующей (+), а другая - некодирующей (-).

Типы РНК.

Информационная РНК наиболее гетерогенная в отношении размеров и формы.

Все представители этого класса служат переносчиками информации от гена к рибосомам. Они играют роль матрицы, т.е. определяют аминокислотную последовательность белков, поэтому они отличаются размером и формой. Все они имеют общие особенности в строении. На 5'-конце и-РНК находится структура КЭП-а.

3'-Конец содержит полиаденилатную цепочку.

Транспортная РНК.

Существует около 300 видов т-РНК. В состав т-РНК входит от 60 до 95 нуклеотидов, Большинство содержит 76 нуклеотидов. Все тРНК похожи по строению:

1) пространственное строение этих молекул напоминает  клеверный лист;

2) они имеют фосфатную группу на 5'-конце;

3) небольшие участки т-РНК комплементарны и могут образовывать шпильки (концевые нуклеиновые основания - 7 пар, включая 5'-конец: 4 пары, образующие D-плечо, 5 пар, формирующие псевдоуридиновое плечо и 5 пар нуклеотидов - антикодоновое плечо;

4) 3'-конец имеет всегда одну и ту же последовательность 5'-ЦЦА-3';

5) т_РНК содержат модифицированные основания.

т-РНК являются посредниками в синтезе белка. Они участвуют в переносе активированных аминокислот на растущую полипептидную цепь на рибосомах. Аминокислоты присоединяются к 3'-концу т-РНК с образованием аминоацил-т-РНК.

Рибосомная РНК.

- основные компоненты рибосом. Рибосомы прокариот и эукариот различаются составом р-РНК и белков.

Рибосомы благодаря р-РНК обеспечивают специфический контакт м-РНК и т-РНК. Белки рибосом катализируют все стадии пептидного синтеза.

Виды переноса генетической информации.

Перенос генетической информации в пределах одного класса нуклеиновых кислот (ДНК ® ДНК, РНК ® РНК) называется репликацией.

Перенос генетической информации между разными классами нуклеиновых кислот называется транскрипцией ( ДНК ® РНК - прямая транскрипция, РНК ® ДНК - обратная транскрипция).

Перенос генетической информации от РНК к белку - трансляция. Транслируется м-РНК, а т-РНК и р-РНК выполняют вспомогательную роль при трансляции.

Все виды переноса генетической информации основаны на матричных синтезах. Точность копирования определяется комплементарностью азотистых оснований.

Репликация.

Репликация - полуконсервативный процесс, то есть после репликации дочерняя клетка всегда содержит одну материнскую цепь и одну новую. Из-за генетической комплементарности дочерняя молекула ДНК должна быть такой же как и родительская ДНК. Процесс репликации ДНК сложный и включает множество ферментов.

Механизм репликации ДНК был первоначально изучен у бактерий. E. coli содержит 3 фермента, способных катализировать репликацию ДНК: полимераза I (pol I),  полимераза II (pol II) и полимераза III (pol III).  Pol I наиболее многочисленный фермент, но его роль заключается в исправлении ошибок, возникающих при репликации. Pol I необходима также при созревании ДНК. Pol III в 100 раз активнее pol I, катализирует синтез новых цепей ДНК.

У эукариот идентифицировано 5 видов полимераз: a, b, g, d, e. Pol a играет ту же роль, что и pol III у прокариот, pol b аналогична pol I, pol g локализована в митохондриях и необходима для синтеза митохондриальной ДНК.

Кроме полимераз для репликации требуется ряд специфических белков: праймазы, геликазы, топоизомеразы, ДНК-лигазы, урацил-ДНК-N-гликозилазы, белки, стабилизирующие расплетенную молекулу ДНК.

Для процесса репликации необходимы также праймеры (или затравки – короткие последовательности РНК) и дезоксинуклеозидтрифосфаты.

Для репликации необходимо образование репликативной вилки. Репликативная вилка – это та часть молекулы ДНК, в которой в данный момент осуществляется синтез новой ДНК. Здесь родительская ДНК расплетена и находится в одноцепочечной форме.

Каждая из цепей служит матрицей для синтеза новой ДНК. В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, при этом расплетаются новые участки родительской ДНК до тех пор, пока вилка не дойдет до точки окончания синтеза (точка терминации). Поскольку ДНК-полимеразы катализируют синтез только в направлении 5' ® 3', а цепи родительской ДНК антипараллельны, только одна из цепей синтезируется непрерывно; она называется лидирующей. Вторая цепь, называемая отстающей, синтезируется в виде фрагментов, которые затем сшиваются (лигируются). Эти фрагменты называются фрагментами Оказаки.

Для синтеза ДНК необходима РНК-затравка (праймер). Поскольку для своей работы ДНК-полимераза нуждается в свободной 3'-OH-группе, поставщиком которой и является праймер. Сначала фермент РНК-полимераза, не нуждающийся в свободной 3'-OH-группе, синтезирует короткую молекулу РНК на матрице ДНК. Эта РНК-затравка остается спаренной с расплетенной ДНК и действует как место инициации синтеза.

При созревании РНК-затравка удаляется как с 5'-конца лидирующей цепи, так и с 5'-концов фрагментов Оказаки, а эти фрагменты сшиваются. Удаление затравки катализирует pol I, а сшивание фрагментов – лигаза.

Транскрипция.

Транскрипция (синтез ДНК) на матрице ДНК - сложный процесс, включающий несколько стадий: инициацию, элотацию и терминацию.

Любые изменения, затрагивающие синтез РНК, немедленно отражаются на уровне синтеза белка и приводят к различным метаболическим сдвигам в клетке (т.е. к нарушению обмена веществ). Благодаря регуляции синтеза веществ РНК организм может приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды.

Транскритируется только одна, так называемая "+" цепь ДНК. Процесс транскрибирования у прокариот и эукариот различается на уровне регуляции и посттранскрипционных модификаций. Основной же механизм схож.

Транскрипция протекает под действием ДНК зависимой РНК – полимеразы. Инициация транскрипции возможна толькопри наличии активного фермента, состоящего из пяти субъединиц.(a₂ bb¢ ^' s) - холо-фермента. Кроме того, для инициации транскрипции необходимы АТР или ГГФ, промотор – специальный участок на ДНК (40п.н), к которому присоединяется холо-фермент.

Инициация.

Синтез РНК всегда начинается с оснований А или Г в «+»-цепи ДНК. Участок связывания фермента расположен выше сайта инициации (т.е. в направлении 3¢ ® 5¢ в «+»-цепи) на расстоянии примерно 10 пар нуклеотидов.

Элонгация цепи РНК.

Эта стадия транскрипции наступает после присоединения примерно 8 рибонуклеотидов. В этот момент РНК-полимераза претерпевает структурное изменение, при котором от комплекса диссоциирует s-субъединица, и остается кор-фермент (a₂ bb¢), катализирующий дальнейшее удлинение цепи РНК. При этом присоединяются те рибонуклеотидтрифосфаты, которые обеспечивают правильное спаривание с «-»-цепью ДНК.

Терминация.

- прекращение роста цепи РНК – происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами. В остановке синтеза белка на терминаторе важную роль играет r-белок.

Постранскрипционные изменения РНК (процессинг РНК).

Процесс созревания – это процсс, при котором первичный РНК транскрипт модифицируется и превращается в зрелую РНК. Характер и степень модификации РНК зависит от типа РНК.

У прокариот молекулы м-РНК у прокариот не подвергается процессингу. Более того процесс транскрипции и трансляции протекают часто одновременно.

Транспортная РНК синтезируется в виде про-РНК, которыена 20% длиннее т-РНК. Иногда молекулы про-РНК состоят из нескольких т-РНК. В ходе процессинга вырезаются лишние последовательности нуклеотидов, модифицируется 3¢-конец т-РНК, так что появляется последовательность ЦЦА. Кроме того, т-РНК содержат большое количество минорных оснований (нестандартных оснований, которые образуются после транскрипции).

Рибосомные РНК синтезируются в виде одной молекулы предшественника. В ходе процессинга предшественник расщепляется на отдельные р-РНК.

У эукариот м-РНК образуется из больших по размеру молекул предшественников - гетероядерных РНК. Для образования зрелой молекулы м-РНК-предшественники подвергаются модификации по 5^' - концу и 3^' - концу и сплайсингу.

Сплайсинг гетероядерной м-РНК (и-РНК) - это удаление некодирующих участков в последовательности РНК последовательности РНК (интронов) и соединени кодирующих участков (экзонов).

Модификация 5^' - конца м-РНК приводит к образованию особой последовательности, называемой КЭП - структура. При модификации 3^'- конца, к нему присоединяется последовательность  полиадениатов (поли (А) или (А)_n длиной 150-200 нуклеотидов. Модификация 5^'-конца используется для специфического узнавания при присоединении хрибосоме в синтезе белка .Модификация 3^'-конца обеспечивает устойчивость м-РНК в клетке.

Процессинг р-РНК и т-РНК у эукариот аналогичен процессингу у прокариот. Более длинные молекулы-предшественники подвергаются расщеплению и химической модификации с образованием минорных оснований.

В процессе модификации РНК принимает участие малые ядерные РНК (мяРНК), которые способны комплементарно соединяться с нуклеотидной последовательностью инициации сплайсинга и вместе с соответствующими ферментами способны удалять некодирующие участки. МяРНК, обладающие каталитической активностью, называются  рибозимами.

Процессинг р-РНК является одной из потенциальных точек регуляции экспрессии генов.

Генетический код.

Генетический код связывает последовательность оснований данного гена или его РНК-транскрипта с аминокислотной последовательностью соответствующего белка.

Свойства генетического кода.

1. Генетический код триплетный - три нуклеотида кодируют одну аминокислоту.

2. Универсальный - одинаков у всех живых организмов.

3. Код не перекрывается, т.е однозначный - один триплет кодирует одну аминокислоту.

4. Вырожденный – одну аминокуслоту кодируют несколько триплетов, отличающихся, как правило, третьим нуклеотидом.

Из 64 кодонов 3 некодирующие - сигнальные кодоны или нонсон - кодоны.

Адапторные функции т_РНК и аминоацил-т-РНК-синтетаз.

В роли адапторов, т.е. переводчиков с языка нуклеотидов на язык аминокислот выступают т-РНК. В молекуле т-РНК имеется комплементарная кодону последовательность нуклеотидов, называемая антикодом. Существует столько же разных молекул т-РНК сколько существует триплетов. Каждая т-РНК способна связываться только с определенной аминокислотой. Такое узнавание происходит с участием ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз. Для каждой т_РНК и соответствующей ей аминокислоты имеется свой фермент. Под действием этого фермента происходит ацилирование т-РНК по 3^'- концу аминокислотой. Т.о. ферменты ацил-т-РНК-синтетазы также являются адапторами в синтезе белка. Роль этих ферментов очень важна, т.к само узнавание кодона молекулой т-РНК не зависит от того какая аминокислота присоединена к ее 3^'-концу.

Трансляция (синтез белка).

Трансляция – это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка. Синтез белка осуществляется путем последовательной конденсации отдельных аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному-(С)-концу. Декодирование мРНК происходит соответственно в направлении 5¢®3¢.

Активация тРНК.

Декодирование происходит при специфическом связывании антикодона транспортной РНК с соответствующим кодоном матричной РНК. До такого взаимного узнавания кодона и антикодона под действием аминоацил-тРНК-синтетазы к тРНК присоединяется соответствующий аминокислотный остаток: образуется аминоацил-тРНК. При этом расходуется две макоэргические связи. Этот процесс называется активацией тРНК. Синтез белка происходит на рибосоме. Все этапы синтеза белка осуществляются с помощью множества разных ферментов и других белков (например, факторов инициации и факторов элонгации).

Трансляционный аппарат клетки.

Рибосома – это органелла, состоящая из двух субчастиц (большой и малой). На рибосоме имеются участки связывания – места, к которым присоединяется та или иная молекула, участвующая в трансляции. Между большой и малой субъединицами остается щель, занимаемая молекулой мРНК. Подойдя к рибосоме, очередная аминоацил-тРНК соединяется с участком на большой субъединице рибосомы, называемым участком (сайтом) А. Другой участок на этой субъединице называется Р-участком (сайтом). С этим участком связывается молекула пептидил-тРНК, несущая синтезируемую полипептидную цепь. Трансляция мРНК осуществляется сразу несколькими активными рибосомами (полисомой или полирибосомой). Каждая из рибосом полисомы катализирует синтез полипептидной цепи.

Синтез белка на рибосомах.

Процесс синтеза белка так же, как репликация ДНК и транскрипция генов, разбивается на три этапа: инициацию, транскрипцию и терминацию.

Инициация.

Стартовым сигналом к началу синтеза белка служит расположенный мРНК кодон АУГ, кодирующий метионин. Связывание мРНК с малой субъединицей рибосомы требует участия белкового фактора – фактора инициации 3 (ФИ-3).

Первая аминоацил-тРНК, участвующая в трансляции первого кодона, взаимодействует с ГТФ и фактором инициации 2 (ФИ-2). Образовавшийся комплекс в присутствии фактора инициации 1 (ФИ-1) присоединяет тРНК к первому кодону матрицы и образует инициаторный комплекс  с малой субъединицей рибосомы. После высвобождения факторов инициации к малой субъединице присоединяется большая субъединица рибосомы, при этом происходит гидролиз молекулы ГТФ. Так завершается образование полной рибосомы.

У прокариот в инициацию синтеза большинства белков вовлечена специальная аминоацил-тРНК – N—формилметионил-тРНК. У эукариот – метионил-тРНК.

Элонгация.

В полностью сформированной на стадии инициации рибосоме А-участок свободен. К кодону мРНК находящемуся на А- участке, присоединяется антикодон, соответствующий аминоацил-т-РНК, который может присоединиться к рибосоме после образования комплекса с фактором элонгации 1 (ФЭ-1) и ГТФ. При присоединении гидролизуется ГТР и высвобождается комплекс ГДФ – ФЭ-1.

Аминогруппа аминокислоты т-РНК на А-участке атакует этерифицированную карбоксильную группу 1-ой аминоацил т-РНК находящийся на Р-участке. Эта реакция катализируется пентидилтранфсерозой, которая является белковым компонентом большой субъединицы. При этом освобождается т-РНК на Р-участке и быстро его покидает. Пептидил-тРНК с А-участка при участии комплекса фактора элонгации 2 с ГТФ переносятся на Р-участок. При этом происходит гидролиз ГТФ. А-участок освобождается для нового узнавания.

Таким образом, всего на образование одной пептидной связи расходуется энергия 4-х макроэргических связей.

Рис. Элонгация трансляции.

Терминация

Терминирующий кодон на А-участке распознается факторами высвобождения белковой природы - R-факторы. R-факторы при участии ГТФ и пептидилтрансферазы обеспечивают гидролиз связи между образовавшимся полипептидом и т-РНК, занимающий Р-участок. После гидролиза и высвобождения полипептида рибосомы диссоциируют на 2 субъединицы.

Посттрансляционные изменения белка (процессинг белка).

1.Некоторые белки, например, ферменты пищеварительного тракта или белки системы свертывания крови, синтезируются на рибосомах в виде белков - предшественников. Для их активации необходим частичный гидролиз полипептидной цепи, т.е. физиологически активными эти белки становятся лишь после частичного протеолиза. Таким образом протеолиз - одно из направлений посттрансляционного изменения белка.

2. В составе некоторых белков встречаются нестандартные аминокислоты. Например, в составе белка коллагена встречается много оксипролина. В составе эластина входит большое количество десмозина - нестандартной аминокислоты, образованной из 4-х лизинов. Все эти изменения происходят под действием определенных ферментов после синтеза белка на рибосомах. Например, фермент гидроксилизирующий пролин до оксипролина требует участия в качестве кофактора витамина С (витамин С зависимое гидроксилирование). Нехватка витамина С в организме может привести к нарушениям посттрансляционных изменений коллагена, а следовательно, к изменению его конформации, что приводит к рыхлости соединительных тканей.

3. Образование гликопротеинов и липопротеинов путем присоединения липидов или углеводов к синтезированному белку.

4. Сборка отдельных субъединиц с образованием белка четвертичной структуры.

5. Присоединение простетических групп к белкам (например, гема к глобину).

6. Фосфорилирование белков. Многие белки проявляют свою активность лишь после фосфорилирования по остаткам тирозина или серина (см.регуляцию ковалентной ферментной активности).

7. Карбоксилирование факторов свертывания крови при  участии витамина К (витамин К зависимое карбоксилирование). Некоторые биологически активные пептиды, участвующие в свертывании крови, проявляют свою активность после карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты. В результате образуются белки, способные хелатировать ионы кальция, что приводит к изменению конформации белка и появлению его активности.

Токсины как ингибиторы матричных биосинтезов.

Токсины - продукты жизнедеятельности бактерий, грибов, растений, которые даже в небольших количествах ингибируют синтез белка у человека.

Дифтерийный токсин - продуцируется клетками бактерий Сorynobacterium diphteride. Этот токсин катализирует АДФ-рибозилирование фактора элонгации 2 в клетках млекопитающих. При этом ФЭ-2 становится неактивным, и нарушается процесс элонгации, т.к. дифтерийный токсин является катализатором рибозилирования ФЭ-2, то небольшие его концентрации могут приводить к нарушению синтеза белка в клетке.

Рицин содержится в касторовом масле и является ферментом N-гликозидой, который специфично отщепляет адниловые основания от  28S р-РНК.

Регуляция экспрессии генов.

Генная экспрессия - способность гена продуцировать биологически активные белки.

Экспрессия генов как у прокариот, так и у эукариот регулируется при помощи целого ряда механизмов. Регуляция у эукариот намного сложнее. Прокариотам для того, что бы выжить требуется лишь благоприятная химическая среда. Если для обеспечения жизнедеятельности клетке необходим какой-то метаболит, она должна быть способна к синтезу ферментов, участвующих в катаболизме данного метаболита. Однако, синтезировать такие ферменты в отсутствии соответствующего  метаболита  было бы расточительным. Таким образом, у бактерий должны быть механизмы адаптивной регуляции экспрессии генов.

Наиболее изучены механизмы адаптивной регуляции у прокариот:

¨      индукция и репрессия синтеза ферментов;

¨      аттенуация транскрипции.

Индукция синтеза ферментов. Lac-оперон.

В 1961 году Жакобо и Моно предложили гипотезу оперона для объяснения, как бактериальные клетки реагируют на изменения окружающей среды. После введения в эту среду лактозы в качестве субстрата содержание в клетке трех ферментов, участвующих в катаболизме лактозы, возрастает в 100 раз. Такая активная транскрипция называется индукцией. Фермент b-галактозидаза (лактаза), катализирующий гидролиз лактозы, кодируется геном Z, фермент галактозидпермеаза, осуществляющий перенос лактозы через мембрану в клетку, - геном Y, фермент тиогалактозидацетилтрансфераза - геном А. Три структурных гена расположены рядом и вместе с операторным участком образуют оперон.

Было показано, что транскрипционная активность структурных генов, входящих в оперон, регулируется четвертым регуляторным геном (ген I). Ген-регулятор в lac-системе расположен рядом со структурными генами Z, Y, A. Экспрессия гена I конститутивна и проявляется  в наработке с постоянной скоростью белка lac-репрессора. Этот белок состоит из 4-х субъединиц и способен связываться с оператором. Оператор представляет собой небольшой участок ДНК, который находится перед первым структурным геном и перекрывается с промотором, поэтому РНК-полимераза не может связываться с промотором, и транскрипция не идет. Следовательно, lac-репрессор является негативным регулятором. Индукция является одной из форм негативной регуляции, называемой так потому, что транскрипция может идти после удаления репрессора.

Лактоза способна связываться с белком lac-репрессором, после чего его сродство к оператору уменьшается, и белок-репрессор диссоциирует от оператора. С освобожденным промотором связывается РНК-полимераза, и начинается транскрипция структурных генов Z, Y, A. Лактоза является индуктором для этого оперона.

Однако когда клетки выращиваются в среде, содержащей смесь глюкозы и лактозы, в первую очередь расходуется глюкоза. Лишь после исчерпания глюкозы индуцируется lac-оперон.  Такая репрессия lac-оперона в присутствии других метаболитов достигается  совместным действием САР-белка и цАМФ. Для связывания РНК-полимеразы с промотором необходимо наличие комплекса САР-белка с цАМФ. Накопление цАМФ происходит независимо только при недостатке в питательной среде источника углерода. Комплекс САР-белка с цАМФ - позитивный регулятор.

Молекулярные механизмы генетической изменчивости.

Точное копирование ДНК (репликация) составляет молекулярную основу наследственности. Противоположное свойство - изменчивость - также важно, поскольку наряду с наследственностью обеспечивает возможность естественного отбора и биологической эволюции. С изменчивостью связаны такие явления, как гетерогенность популяций человека, существование наследственных болезней и предрасположенность к болезням.

Молекулярную основу изменчивости составляют наследуемые изменения первичной структуры ДНК - мутации. Мутации возникают в результате ошибок синтеза ДНК в процессе репликации или в ходе репарации повреждений ДНК, вызванных внешними факторами. Другой механизм изменчивости составляют рекомбинации - обмен участками ДНК между гомологичными хромосомами.

Повреждения и репарация ДНК.

Ряд экзогенных факторов - ультрафиолетовое, ионизирующее излучения, многие химический соединения - вызывают в ДНК разнообразные изменения. Например при действии УФ-излучения характерно образование димеров тимидиловой кислоты:

Ионизирующее излучение вызывает разрывы нуклеотидных цепей и разнообразные изменения азотистых оснований. Вокруг нас постоянно существует фон ионизирующего излучения как в форме космических лучей, проникающих в глубинные слои земли, так и в форме излучения, испускаемого радиактивными изотопами радия, плутония, углерода(¹⁴С) и водорода (³Н). Источником ионизирующего излучения служат также радиоактивные осадки,выпадающие после испытания ядерного оружия, и радиактивные отходы. Приблизительно 10% всех повреждений ДНК, вызываемых небиологическими факторами, происходит под действием УФ- и ионизирующего излучений.

Многочисленные повреждения возникают при действии разнообразных химических соединений, представляющих собой продукты промышленной деятельности человека. Сами по себе эти вещества могут и не быть вредными, но в процессе метаболизма они могут превращаться в опасные соединения. Различают три основных типа таких химических агентов: 1) дезаминирующие агенты - главным образов азотистая кислота (HNO₂) или вещества, которые в процессе метаболизма могут привести к образованию азотистой кислоты или нитритов; 2) алкилирующие агенты; 3) соединения, которые из-за своего сходства с нормальными основаниями могут подменять их в молекуле.

Азотистая кислота, образующаяся из органических предшественников, например, из нитрозаминов, а также из нитратов и нитритов, представляет собой соединение, способное очень эффективно удалять аминогруппы цитозина, аденина, гуанина. Дезаминирование цитозина приводит к появлению в цепи ДНК урацила. Если цепь, содержащая остаток урацила реплицируется, то урацил оказывается не в состоянии образовать водородные связи с остатком гуанина (который комплементарен цитозину), а стремиться к образованию пары с аденином. В результате дочерняя двухцепочечная ДНК будет содержать пару А-Т вместо Г-Ц в неповрежденной родительской ДНК.

Определенные основания в ДНК могут подвергаться действию алкилирующих агентов: диметилсульфата, диметилнитрозамина, азотистого иприта.

В клетке существует система устранения повреждений ДНК - репарационная система, которая включает в себя многочисленные ферментные механизмы, которые обнаруживают и исправляют повреждения. В состав этих систем входят различные ферменты, которые обнаруживают и исправляют повреждения. В общих чертах репарация происходит следующим образом. Поврежденные гетероциклические основания обнаруживаются и удаляются ферментами N-гликозидозами, расщепляющими связь между гетероциклическим основанием и остатком сахара. В результате в молекуле ДНК образуется  апуриновый или апиримидиновый участок. Специфическая ДНК полимераза I узнает такие участки и гидролизует фосфодиэфирные связи с 5^' конца от этого участка, т.е. проявляет эндонуклеазную активностью, Затем достраивает удаленный участок, проявляя полимеризацию активность. Ферменты ДНК- лигазы сшивают достроенный участок с основной цепью.

Известно несколько систем репарации устраняющие повреждения разных типов.

Мутагенез. Генные мутации.

Мутациями называют разнообразные изменения генома. Эти изменения могут затрагивать один-единственный нуклеотид ДНК (точечные мутации) или более протяженный фрагмент, целые гены, хромосомы (хромосомные аномалии) и даже весь геном (полиплодия). Мутацией обозначают как процесс возникновения изменений в геноме (мутагенез), так и результат этого процесса.

Сущность генных мутаций составляют нерепарированные наследуемые изменения первичной структуры ДНК, которые ведут либо к прекращению синтеза белка, кодируемого поврежденным геном, либо к синтезу измененного белка. Мутации в регуляторных участках ведут к нарушению регуляции или прекращению синтеза белка. Мутации возникают, если изменение (повреждение) цепи ДНК осталось незамеченным репарационной системой, а также в случае нарушения работы этой системы. Например, при пигментной ксеродерме - редком заболевании человека, механизм ферментативной репарации ультрафиолетовых повреждений нарушен. В этих условиях кожа становится чрезвычайно чувствительной к солнечному свету. Она становится очень сухой и тонкой, пролиферация клеток кожи протекает ненормально, и у лиц с подобными признаками всегда развивается рак кожи.

Замена нуклеотида может привести к изменению смысла кодона (миссенс-мутации) и, следовательно, к синтезу измененного белка. Так возникла, например, мутация, проявляющаяся как серповидноклеточная анемия: кодон, отвественный за включение в положение 6 b-цепи гемоглобина глутаминовой кислоты , превратился в кодон валина. Если в результате замены образуется один из терминирующих кодонов (нонсенс-мутация), то синтез пептидной цепи обрывается на этом кодоне.

Поскольку код вырожденный, то замена нуклеотида не всегда изменяет смысл кодона, такое изменение ДНК фенотипически не проявляется.

Мутация может быть связана с утратой мономеров (делеция) или, наоборот, со вставкой мономеров (вставка). В этих случаях изменяется считывание всех последующих кодонов - это мутация со "сдвигом рамки". В результате такой мутации синтезируется белок с бессмысленной последовательностью аминокислот. Мутации со сдвигом рамки могут индуцироваться некоторыми большими плоскими молекулами, которые похожи на обычные основания или на пары оснований. Такие молекулы способны интеркалировать (встраиваться) между двумя соседними парами оснований, в результате чего в ДНК появляется дополнительное основание. К таким интеркалирующим мутагенам относится акридин, который содержится в асфальтовой смоле и других продуктах переработки нефти и угля.

Мутации могут быть полезными, нейтральными и вредными. Чаще всего мутации бывают вредными. Мутации могут происходить как в соматических клетках, так и в половых. При половом размножении наследуются только мутации половых клеток.