Попова Н.А., Юшкова А.А., Баймак Т.Ю. Основы молекулярной генетики. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

ставит информацию к месту непосредственного синтеза белка в

цитоплазме клетки. После этого особые клеточные структуры –

рибосомы – могут осуществить синтез полипептидной цепи.

Сразу после синтеза полипептидной цепочки (т.е. по сути, по-

сле образования первичной структуры) молекула белка к работе

не готова. Даже если учесть, что в водной среде первичная струк-

тура сразу же самостоятельно принимает следующую конфигу-

рацию – вторичную, то все равно белок ещё не готов к работе.

Функционально активной является третичная, а у некоторых бел-

ков – четвертичная структура, т.е. требуется дальнейшая упаковка

его молекулы.

Разберем процесс реализации генетической информации поэ-

тапно. Первая необходимая стадия – копирование нужного участка

хромосомы. В качестве копии синтезируется молекула РНК. Про-

цесс синтеза РНК по матрице ДНК носит название транскрип-

ции. Всё разнообразие молекул РНК в клетке обеспечивается ко-

пированием определенных участков ДНК. Будет ли это молекула

РНК, которая непосредственно несет информацию о структуре

определенного белка – матричная или информационная (мРНК

или иРНК); или молекулы участвующие в процессе синтеза белка

– транспортные РНК (тРНК) и рибосомальные РНК (рРНК), а так-

же другие типы РНК, для всех этих молекул в хромосомах имеют-

ся определенные участки, служащие матрицей для копирования.

Поэтому справедливо ещё одно определение: ген – это участок

молекулы ДНК, на котором синтезируется молекула РНК.

Процесс транскрипции осуществляется специальным фермен-

том, он называется РНК-полимераза. Какая бы разновидность

РНК ни синтезировалась (мРНК, рРНК, тРНК), принципы синтеза

всегда одинаковы и аналогичны репликации ДНК.

Так же как ДНК-полимераза, РНК-полимераза может осущест-

влять процесс копирования двигаясь только в одном направлении:

от 3'-конца молекулы ДНК к её 5'-концу. Источником нуклеотидов

и энергии для работы РНК-полимеразы служат нуклеотидтрифос-

фаты, обладающие макроэргическими связями и заготовленные в

клетке заранее.

Участок ДНК, служащий матрицей, должен быть простран-

ственно доступен. Поэтому сначала расплетается небольшой

участок двойной цепи (примерно 17 нуклеотидов): специальные

белки-ферменты временно разъединяют цепи ДНК, обеспечивая

её пространственную доступность РНК-полимеразе. В любом

гене синтез молекулы РНК осуществляется только на одной це-

почке, вторая в этом процессе не участвует. Та цепь ДНК, по ко-

торой осуществляется синтез, называется кодирующей цепью,

комплементарная ей – некодирующая.

Фермент РНК-полимераза может начать свою работу только с

определенного участка на ДНК, этот участок называется промо-

тор. Сам промотор не копируется. После присоединения к промо-

тору, фермент может начать движение вдоль ДНК, одновременно

осуществляя синтез РНК. Скорость транскрипции – примерно 50

нуклеотидов в секунду. Главный принцип синтеза молекулы РНК

– принцип комплементарности. Каждому основанию в молеку-

ле ДНК будет соответствовать строго определенное основание в

РНК.

Наиболее полно процесс транскрипции охарактеризован для

прокариот.

У этих организмов генетическая информация организована в

опероны. Опероном называют участок молекулы ДНК, в кото-

ром присутствуют гены нескольких близких по функциям белков.

Объединение происходит по принципу участия в комплексе био-

химических реакций. Например, в один оперон объединены гены

белков-ферментов, отвечающих за расщепление глюкозы; в дру-

гой – за расщепление лактозы, и т.д.

В начале каждого оперона (рис. 13) есть посадочная площад-

ка для РНК-полимеразы – промотор. В конце оперона находится

другая специфическая последовательность нуклеотидов, отвеча-

ющая за завершение работы фермента. Этот участок называется

терминатор.

Кодирующие участки расположены между оператором и про-

мотором: именно здесь находятся гены, отвечающие за структуру

определенных белков, их называют структурные гены. Кроме

них между промотором и терминатором могут находиться и регу-

ляторные участки. Один из важнейших – оператор (от лат. operor

– работаю). С оператором взаимодействует специальный белок

– репрессор (лат. repressor – ограничивающий, сдерживающий).

Пока оператор "занят" репрессором, РНК-полимераза не может

сдвинуться с места и начать синтез мРНК.

Когда в клетку попадет субстрат, для расщепления которого

требуются белки-ферменты, закодированные в данном опероне,

одна из молекул субстрата свяжется с белком-репрессором. После

этого репрессор потеряет способность взаимодействовать с ДНК

(с оператором) и, отсоединившись, освободит дорогу для РНК-

полимеразы.

Когда закончится субстрат и необходимость синтеза закодиро-

ванных в данном опероне ферментов исчезнет, то процесс синте-

за РНК остановится. Причина остановки заключается в том, что

"освободившийся" от закончившегося субстрата репрессор (не

взаимодействующий с субстратом) имеет большое сродство к опе-

ратору; поэтому он сразу же занимает свое место – и препятствует

продолжению работы РНК-полимеразы. Таким способом регули-

руется синтез ряда белков у безъядерных организмов. Схематиче-

ски этот процесс изображен на рис. 13. Бывают опероны другого

типа. В них транскрипция не начинается при появлении в клетке

какого-либо вещества, а наоборот, прекращается.

Синтезируемая мРНК прокариотических организмов сразу го-

това к работе.

Рис. 13. Схематическое изображение структуры оперона

(1) и работы оперона безъядерных организмов (2 и 3).

промотор

терминатор

ДНК

Кодирующий участок

оператор

промотор

терминатор

ДНК

Кодирующий участок

оператор

РНК-

полимер

аза

промотор

терминатор

ДНК

Кодирующий участок

оператор

РНК-

полимер

аза

Белок-

репрессор

Белок-

репрессор

1. Структура оперона

2. Работа оперона : субстрата нет, оперон закрыт

3. Работа оперона: субстрат есть, оперон открыт

субстрат

РНК-

поли-

мераза

РНК-

поли-

мераза

Гены эукариот устроены более сложно (рис. 14), хотя общий

принцип организации остается тем же: есть кодирующая и неко-

дирующая цепи ДНК, регуляторная зона, промотор и терминатор.

Оперонов в генах эукариот нет. Каждый ген имеет свою собствен-

ную регуляторную зону, в которой нет оператора, но есть другие

регуляторные участки. Самые существенные отличия между ге-

нами ядерных и безъядерных организмов касаются структурных

участков ДНК. В большинстве генов ядерных организмов струк-

турные участки содержат некодирующие, вставочные последо-

вательности. Эти последовательности называют интронами, их

может быть очень много. Участки, непосредственно несущие

информацию о структуре белковой молекулы, называются экзо-

нами. Средняя скорость транскрипции у эукариот составляет 40

нуклеотидов в секунду.

После завершения процесса транскрипции в клетках ядерных

организмов образовавшаяся РНК еще не готова к работе, её назы-

вают про-мРНК. Эта молекула подвергается процессу доработки,

процессингу. В результате на 5'-конце происходит образование

кэпа – метилированного гуанина, а на 3’-конце присоединяется

цепь, состоящая из нескольких адениновых нуклеотидов – полиА.

Кроме этого в эукариотических РНК происходит удаление интро-

нов. Оставшиеся экзоны соединяются между собой, процесс их

соединения носит название сплайсинг. При соединении экзонов

всегда соблюдается порядок их расположения, хотя часть экзо-

нов может и не использоваться. Способность оставлять в зрелой

мРНК не все экзоны позволяет эукариотам создавать несколько

разных мРНК с одного и того же гена. Это явление называется

альтернативный сплайсинг. Известно, что, например, у челове-

ка около 70 % генов работают с использованием альтернативного

сплайсинга. В ответ на изменение физиологической ситуации из

одного и того же гена клетка может получить разные мРНК и соот-

ветствующие им белки, но обычно альтернативный сплайсинг ис-

пользуется многоклеточным организмом для синтеза различных

белков в разных тканях.

Наибольшее количество вариантов альтернативного сплайсин-

га, а, следовательно, и максимальное число разных белков, кото-

рые может кодировать один ген, обнаружено у плодовой мушки

дрозофилы. Один из её генов содержит 95 экзонов и число вари-

антов их соединения достигает 38016.

Рис. 14. Схематическое изображение структуры гена эу-

кариот, процессов транскрипции и последующих преоб-

разований про-мРНК.

- область 0 + область

промотор

терминатор

Регуляторная

зона

РНК-

полимер

аза

про-мРНК

Экзон

интрон

кэп

полиА хвост

Процессинг

кэп

Сплайсинг

ДНК

мРНК

направление синтеза РНК

Транскрипция

Хотя не прослеживается взаимосвязи между суммарным коли-

чеством генетического материала и сложностью строения орга-

низма (чемпионы по размерам генома – амфибии), но при эволю-

ционном усложнении организмов число интронов, приходящихся

на один ген, возрастает, а их средние размеры увеличиваются.

Самые короткие интроны принадлежат представителям царства

грибов – дрожжам, интроны беспозвоночных животных суще-

ственно длиннее, но самые крупные интроны – в классе млекопи-

тающих животных. Интересно, что кодирующие последователь-

ности в геномах человека и других млекопитающих очень близки:

на 99-98 %. Что же тогда отличает их друг от друга? В первую

очередь регуляция работы генов, в частности пути прохождения

альтернативного сплайсинга.

Глава 5

Трансляция

Генетическая, или наследственная, информация – информация

о структуре белковых молекул данного организма – закодирована

в молекулах ДНК с помощью генетического кода. Генетический

код – это способ записи информации о последовательности рас-

положения аминокислот в белке с помощью последовательности

нуклеотидов в ДНК (или мРНК).

В состав ДНК входят четыре типа нуклеотидов: аденин (А),

тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В ходе процесса транскрип-

ции по кодирующей нити ДНК синтезируется комплементарная

ей мРНК. Четырем нуклеотидам в ДНК (А, Т, Г, Ц) соответствуют

четыре нуклеотида в РНК (У, А, Ц, Г). С помощью этих четырех

вариантов нуклеотидов кодируется информация о 20 вариантах

аминокислот, которые могут входить в состав белковой молеку-

лы. Для того чтобы с помощью только четырех нуклеотидов за-

шифровать двадцать аминокислот, нуклеотиды надо использовать

группами, а не по одному.

Используя сочетания по три нуклеотида из четырех возможных

можно получить 4

= 64 варианта сочетаний. Этого количества

вполне хватит для кодировки 20 аминокислот. Итак, мРНК "разби-

вается" на функциональные тройки нуклеотидов, каждая из кото-

рых кодирует какую-то аминокислоту. Другими словами – каждой

аминокислоте в будущем белке соответствует три нуклеотида в

мРНК. Это первое свойство генетического кода, его принято на-

зывать триплетностью. Соответственно, тройка нуклеотидов, ко-

дирующих одну аминокислоту, называется триплет или кодон.

Каждый триплет кодирует одну (и только одну!) аминокислоту,

поэтому говорят, что код однозначен. Тем не менее, многие ами-

нокислоты могут быть зашифрованы более чем одним триплетом:

ведь число вариантов триплетов (64) превышает число вариан-

тов аминокислот (20). Это ещё одно свойство генетического кода

– вырожденность (избыточность). Максимальное число трипле-

тов, кодирующих одну аминокислоту, – 6 штук – приходится на

три аминокислоты: аргинин, лейцин и серин. Две аминокислоты

(метионин и триптофан) шифруются одним кодоном.

Внутри гена (или соответствующей ему мРНК) каждый ну-

клеотид входит в состав значащего кодона. Между отдельными

кодонами нет никаких "пробелов" или иных знаков препинания,

считывание происходит непрерывно. Кроме того, триплеты не

перекрываются – т. е. каждый нуклеотид входит в состав только

одного триплета. Эти два свойства (непрерывность и неперекры-

ваемость) легко понять на примере:

тутдымтамдомгдежилбылкоттихсермилмнетоткот

Смысл этой фразы понятен, несмотря на отсутствие пробелов

или знаков препинания. Но сдвиньте рамку считывания – начните

чтение трехбуквенных слов не с первой буквы первого слова, а,

например, со второй – получится бессмысленная фраза:

утд ымт амд омг деж илб ылк отт ихс ерм илм нет отк от

Поэтому каждый ген в цепи ДНК должен иметь строго фикси-

рованное начало считывания.

Не все 64 триплета кодируют аминокислоты. Кодирующими

служат только 61 триплет, а три кодона выполняют функцию стоп-

кодонов. Находясь в конце каждого гена, кодирующего полипеп-

тид, стоп-кодоны выполняют функцию межгенных знаков пре-

пинания. Особенно чётко их значение проявляется, когда мРНК

является копией нескольких, идущих подряд, генов (например,

мРНК с оперона прокариот). Каждый (любой) из стоп-кодонов

означает прекращение синтеза полипептидной цепи. Со следую-

щего триплета начнется синтез новой белковой молекулы.

Когда в шестидесятых годах был расшифрован генетический

код, то вскоре установили, что генетический код универсален,

т.е. одинаков для всех живущих на Земле организмов. У челове-

ка, собаки, орла, ромашки, кишечной палочки и т.д. одни и те же

триплеты кодируют одни и те же аминокислоты. Универсальность

(единство) генетического кода служит одним из доказательств

единства происхождения жизни на нашей планете. Однако от

универсального кода имеются отклонения.

Генетический код митохондрий отличается от универсального.

Оказалось, что он идеален, т.е. подчиняется правилу – если 2 ко-

дона имеют два одинаковых нуклеотида, а третьи принадлежат к

одному классу, то они кодируют одну и ту же аминокислоту. В

универсальном коде есть отклонения от этого правила. Так, кодон

АУА кодирует лейцин, а АУГ – метионин. В идеальном коде – оба

кодона кодируют метионин. УГГ в универсальном коде кодирует

триптофан, а УГА является стоп кодоном. В идеальном коде оба

кодируют триптофан.

Известно, что не каждая замена нуклеотида приведет к нару-

шению функционирования белка. Поэтому говорят, что генетиче-

ский код помехоустойчив. Это свойство кодировки обеспечивает-

ся благодаря вырожденности (избыточности) генетического кода.

Далеко не во всех случаях замена одного основания в триплете

может изменить его смысл, например ААТ и ААЦ кодируют одну

и ту же аминокислоту – лейцин.

Итак, единица наследственной информации – ген – кодирует

информацию о структуре одной полипептидной цепи (белковой

молекулы) с помощью генетического кода. Эта информация ко-

пируется с ДНК на мРНК в ходе процесса транскрипции. Про-

цесс трансляции – синтез белковой молекулы по матрице РНК

– осуществляется специальными органеллами клетки – рибосо-

мами. Процесс происходит в цитоплазме клетке (транскрипция у

эукариот происходит в ядре) с использованием в качестве носите-

ля информации мРНК. Трансляция, по сути, представляет собой

перевод нуклеотидной записи в аминокислотную.

Рибосомы – самые маленькие, но и самые многочисленные из

клеточных органелл. В прокариотической клетке несколько тысяч

рибосом, в эукариотической – в десятки раз больше. Рибосомы

безъядерных организмов мельче по размеру, но принцип строения

у всех одинаков. Каждая рибосома состоит из двух частиц – боль-

шой и малой, молекулярную основу рибосом составляют рибо-

сомные РНК (рРНК) и рибосомные белки.

Отличия рибосом у прокариотических и эукариотических ор-

ганизмов обусловлены разницей в нуклеотидных последователь-