Глава 3. ДНК, РНК и синтез белка

Глава 3. ДНК, РНК И СИНТЕЗ БЕЛКА

ДНК и РНК — являются полинуклеотидами, а простые органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, ассоциируют с образованием больших полимеров. Две аминокислоты соединяются пептидной связью, два нуклеотида — фосфодиэфирной. Последовательное повторение этих реакций ведет к образованию линейных полимеров, называемых соответственно полипептидами и полинуклеотидами. Полипептиды или белки и полинуклеотиды в форме ДНК и РНК считаются наиболее важными компонентами. Универсальные «кирпичики», из которых состоят белки, — это всего лишь 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК построены только из четырех типов полинуклеотидов. Клетка содержит оба типа полинуклеотидов — ДНК и РНК; в ходе эволюции они специализировались и работают сообща, выполняя каждый свою функцию. Структура полинуклеотидов хорошо приспособлена для хранения и передачи информации.

Химические различия между двумя типами полинуклеотидов делают их приспособленными для решения разных задач. Например, ДНК — хранилище генетической информации, так как ее молекула более стабильна, чем молекула РНК. Частично это обусловлено тем, что при наличии в РНК двух гидроксильных групп этот полинуклеотид в большей степени подвержен гидролизу.

Следовательно, вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале, основу которого составляет ДНК. ДНК — длинная двухцепочечная полимерная молекула. В этой скрученной двойным жгутом гигантской молекуле «записаны» все признаки организма. Последовательность мономерных единиц (дезоксирибонуклеотадов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой. Принцип комплементарности обеспечивает идентичность исходных и новосинтезированных молекул ДНК, образующихся при удвоении (репликции).

Механизм комплементарного матричного копирования занимает центральное место в процессах переноса информации в биологических системах. Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее полинуклеотидов, и эта информация

Нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих спираль. Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей. При этом аденин образует пару только с тимином, гуанин – с цитозином. Пара оснований А-Т стабилизируется двумя водородными связями, пара G-C — тремя. Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 миллиона пар нуклеотидов.

Сахарофосфатный состав молекулы, состоящий из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5' — 3'-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы», а пары А-Т и G-C — «ее ступеньки». Цепи молекулы ДНК анти параллельны; одна из них имеет направление 3' →5', другая 5'→3'. Нуклеотиды считают парами потому, что в молекуле ДНК две цепочки и их нуклеотиды соединены попарно поперечными связями.

Носитель генетической информации должен удовлетворять двум требованиям — воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точностью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул. Согласно принципу комплементарности, каждая цепь ДНК может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Когда клетке необходимо разделиться, непосредственно перед этим она копирует молекулу ДНК в своих рибосомах. При этом две нити ДНК расходятся и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точности, повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родительской клетке. В итоге появляются две идентичные дочерние хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происходит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро. Следовательно, после каждого раунда репликации образуются две дочерние молекулы, каждая из которых имеет такую же нуклеотидную последовательность, как исходная молекула ДНК. Нуклеотидная последовательность структурного гена однозначно задает аминокислотную последовательность кодируемого ею белка. Следовательно, каждая цепь ДНК служит матрицей при синтезе новой комплементарной цепи, а последовательность оснований в синтезируемой (растущей) цепи задается последовательностыо комплементарных оснований цепи-матрицы.

Синтез ДНК у прокариот и эукариот осуществляется при участии множества различных ферментов. Основную роль играет ДНК-полимераза, которая последовательно присоединяет звенья растущей полинуклеотидной цепи в соответствии с принципом комплементарности и катализирует образование фосфодиэфирных связей.

Для разделения ДНК разработаны специальные гели на основе агарозы (полисахарид, выделяемый из морских водорослей). Предложена модификация гель электрофореза в агарозном геле, названная пульс- электрофорез, позволяющая разделять большие молекулы ДНК.

Определены последовательности нуклеотидов генов многих млекопитающих, включая гены, кодирующие гемоглобин, инсулин, цитохром С. Объём информации о ДНК столь велик (многие миллионы нуклеотидов), что для хранения и анализа имеющихся данных необходимы мощные компьютеры.

Для определения того, какие гены активны в данном типе клеток (идентификация специфических последовательностей), используют метод, именуемый ДНК-футпринтинг. Фрагменты ДНК метят Р³² , затем расщепляют нуклеазами, разделяют на геле и выявляют на радиоавтографе. Если водный раствор ДНК нагреть до 100 °С и сильно защелочить (pH 13), то комплементарные пары оснований, удерживающие две цепи двойной спирали вместе, разрушаются и ДНК быстро диссоциирует на две цепи. Этот процесс, называемый денатурацией ДНК, ранее считался необратимым. Но если комплементарные цепи ДНК выдержать при температуре 65 °С, они легко спариваются, восстанавливая структуру двойной спирали — процесс получил название ренатурации.

Подавляющее большинство генов содержит в закодированном виде информацию о синтезе белков. Полипептидам присуща большая универсальность, они состоят из аминокислот с химически разнообразными боковыми цепочками и способны принимать разные пространственные формы, которые насыщены реакционноспособными участками. Свойства полипептидов делают их идеально подходящими для выполнения разнообразных структурных и функциональных задач. Белки участвуют практически во всех процессах, протекающих в живых системах, они служат катализаторами биохимических реакций, осуществляют транспорт внутри и между клетками, регулируют проницаемость клеточных мембран, из них строятся различные структурные элементы. Белки — не только основной строительный материал живого организма, многие из них — ферменты, управляющие процессами в клетке. Белки участвуют в осуществлении двигательных функций, обеспечивают защиту от инфекций и токсинов, регулируют синтез остальных генных продуктов.

Все аминокислоты имеют сходное химическое строение: к центральному атому углерода присоединен атом водорода, аминогруппа, карбоксильная группа и боковая цепь. Существует 20 разных боковых групп и соответственно 20 аминокислот: например, в аминокислоте аланин боковой цепью является метильная группа (табл. 1).

Таблица 1. Аминокислоты и их обозначение

Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Первая аминокислота белковой молекулы имеет свободную аминогруппу (N-конец), последняя — свободную карбоксильную группу (С-конец).

Длина белковых молекул варьирует от 40 до 1000 аминокислотных остатков; в зависимости от их последовательности и аминокислотного состава молекулы белков принимают разную форму (конфигурацию, конформацию). Многие функционально активные белки состоят из двух и более полипептидных цепей, как идентичных, так и несколько различающихся. Белки, выполняющие ключевые функции, представляют собой сложные белковые комплексы, состоящие из множества разных полипептидных цепей — субъединиц.

С помощью генетического кода полинуклеотидная последовательность определяет последовательность аминокислот в белке; различные триплеты нуклеотидов кодируют специфические аминокислоты.

Важное «передаточное звено» при переводе генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот — РНК (рибонуклеиновые кислоты), которые синтезируются на определенных участках ДНК, как на матрицах, в соответствии с их нуклеотидной последовательностью.

Молекулы РНК несут информацию, они обладают химической индивидуальностью, влияющей на их поведение. Молекула РНК обладает двумя важными свойствами: закодированная в её нуклеотидной последовательности информация передаётся в процессе репликации, а уникальная пространственная структура и характер взаимодействия с другими молекулами и реакцию на внешние условия. Оба этих свойства — информационное и функциональное — являются необходимыми предпосылками эволюционного процесса. Нуклеотидная последовательность молекулы РНК аналогична наследственной информации, или генотипу организма. Пространственная укладка аналогична фенотипу — совокупности признаков организма, подверженного действию естественного отбора.

РНК (рис. 5) — линейная полинуклеотидная молекула, отличающаяся от ДНК по двум параметрам:

1. Моносахаридом в РНК является рибоза, содержащая не одну, а две гидроксильные группы;

2. Одним из четырех оснований в РНК является урацил, занимающий место тимина.

Существование РНК в виде одной нити обусловлено:

— отсутствием у всех, клеточных организмов фермента для катализа реакции образования РНК на матрице РНК; такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых «записаны» в виде двухнитчатой РНК, остальные организмы могут синтезировать молекулы РНК только на ДНК-матрице;

— из-за отсутствия метальной группы у урацила связь между аденином и урацилом малоустойчива и «удержание» второй (комплементарной) нити для РНК является проблемным.

По причине однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а образует структуры в виде «шпилек», «петель». Спаривание оснований в молекуле РНК происходит таким же образом, как и в ДНК, за исключением того, что вместо пары А-Т, образуется A-U. Комплементарные основания, как и ДНК соединены между собой водородными связями.

Существуют три основных типа РНК:

— информационная (МРНК);

— рибосомная (рРНК);
— транспортная (тРНК).

Правильность транскрипции, т.е. ее начало и завершение в нужных сайтах (специфических участках), обеспечивают специфические нуклеотидные последовательности в ДНК, а также белковые факторы. Транскрипция на ДНК осуществляется в клеточном ядре. Молекулы мРНК переносят информацию из ядра в цитоплазму, где она используется при трансляции белков, аминокислотные последовательности которых закодированы в последовательностях нуклеотидов мРНК (т.е., в конечном счете, в ДНК). мРНК связана с рибосомами, в которых осуществляется соединение аминокислот с образованием белков. Рибосомы — нуклеотидные частицы, в состав которых входит высокополимерная РНК и структурный белок. Биохимическая роль рибосом – синтез белка. Именно на рибосомах происходит соединение отдельных аминокислот в полипептиды, завершающееся образованием белков.

У большинства прокариот транскрипция всех РНК осуществляется с участием одной и той же РНК-полимеразы. У эукариот мРНК, рРНК, тРНК транскрибируются разными РНК-полимеразами.

С генетической точки зрения ген представляет собой специфическую нуклеотидную последовательность, траскрибируемую в РНК.

Большинство транскрибируемых последовательностей ДНК составляют структурные гены, на которых синтезируется мРНК. Конечным продуктом структурного гена является белок. У прокариотов структурный ген представляет собой непрерывный участок молекулы ДНК, у эукариот большинство структурных генов состоит из нескольких дискретных, (отдельных) кодирующих областей — экзонов, разделенных некодирующими областями — нитронами. По завершении транскрипции эукариотического структурного гена нитроны вырезаются ферментами из первичного продукта транскрипции, экзоны сшиваются друг с другом «торец в торец» (сплайсинг) с образованием мРНК. Обычно длина экзонов составляет от 150 до 200 нуклеотидов, длина интронов варьирует от 40 до 10000 нуклеотидов.

В активно функционирующей клетке примерно 3-5% суммарной РНК приходится на долю мРНК, 90% — на долю рРНК, 4% — на долю. мРНК может быть представлена десятками различных типов молекул; рРНК — двумя типами. Более крупная — рРНК образует с белками рибонуклеотидный комплекс, называемый большой рибосомной субъединицей. pРНК меньшего размера — комплекс, называемый малой рибосомальной субъединицей. При синтезе белков субъединицы объединяются с образованием рибосомы. рРНК принадлежит роль главного катализатора в процессе синтеза белка, она составляет более 60% массы рибосомы. В эволюционном аспекте рРНК представляет собой основной компонент рибосомы.

Помимо тысяч рибосом в клетке, активно синтезирующей белки, Содержится до 60 различных видов тРНК. тРНК — это линейная одноцепочечная молекула длиной от 15 до 93 нуклеотидов, имеющая несколько взаимно комплементарных  участков, спаривающихся между собой. С помощью специфических ферментов (аминоацил – тРНК – синтетаз) к 3’ – концу тРНК присоединяется соответствующая аминокислота. Для каждой из 20-ти аминокислот, из которых состоят все белки, существует, по крайней мере, одна специфическая тРНК. На другом конце молекул тРНК расположена последовательность из трех нуклеотидов, называемая антикодоном, она распознает специфический кодон в мРНК и определяет, какая аминокислота будет присоединена к растущей полипептидной цепи.

Трансляция (синтез белка) осуществляется при участии мРНК, разных тРНК, «нагруженных» соответствующими аминокислотами, рибосом и множества белковых факторов, обеспечивающих инициацию, элонгацию, терминацию синтеза полипептидной цепи.

Нуклеотидная последовательность, в которой закодировано более одного белка, называется опероном. Оперон находится под контролем единственного промотора, и при его транскрипции образуется одна длинная молекула мРНК, кодирующая несколько белков.

Синтез мРНК и соответственно синтез белка строго регулируется, так как у клетки недостаточно ресурсов для одновременной транскрипции и трансляции всех структурных генов. Прокариоты и эукариоты постоянно синтезируют только те мРНК, которые необходимы для выполнения основных клеточных функций. Экспрессия остальных структурных генов осуществляется под строгим контролем регуляторных систем, запускающих транскрипцию только в случае возникновения потребности в определенных белках. За включение и выключение транскрипции отвечают дополнительные факторы транскрипций, которые связываются е соответствующими участками ДНК.

При синтезе белковых молекул первичной стадией образования полипептидной цепи белка является процесс активации аминокислот с помощью аденозинтрифосфата. Процесс активации идет при участии ферментов, в результате чего образуются аминоациладенилаты. Затем под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы (для каждой из 20 аминокислот имеется свой особый фермент) «активированная» аминокислота соединяется о тРНК. Далее комплекс аминоацил-тРНК переносится на рибосомы, где происходит синтез полипептида. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Первая аминокислота белковой молекулы имеет свободную аминогруппу (N-конец), последняя — свободную карбоксильную группу (С-конец). Сформировавшиеся белки освобождаются из рибосом, а рибосомы после этого могут присоединять новые комплексы аминоацил — тPHK и синтезировать новые белковые молекулы. Рибосомы связаны с мРНК, которая определяет последовательность чередования аминокислот в «полипептидных цепочках. Таким образом, целостность и функциональная активность рибосом в клетках — одно из необходимых условий синтеза белковых молекул.