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

Подождите немного. Документ загружается.

ностях, размерах рРНК и некоторыми отличиями в строении ри-

босомальных белков. Эти отличия приводят, например, к разной

скорости трансляции. У ядерных организмов она составляет от

2 до 5 аминокислот в секунду, а у бактерий она почти в 10 раз

выше.

У ядерных организмов частицы рибосомы образуются в ядре:

там синтезируются рРНК, здесь же они объединяются с рибосом-

ными белками, пришедшими из цитоплазмы. Объединение частиц

в функционирующую рибосому и у ядерных, и у безъядерных ор-

ганизмов происходит только тогда, когда они провзаимодейству-

ют с мРНК в цитоплазме клетки.

Доставку аминокислот к месту синтеза белка осуществляют

транспортные РНК (тРНК). Эти РНК представляют собой неболь-

шие молекулы, чья вторичная структура напоминает лист клевера,

а третичная – латинскую букву L. Аминокислота прикрепляется

к "черешку листа" – 3'-концу тРНК, называемому акцепторным

стеблем. Он одинаков у всех тРНК и имеет последовательность

ЦЦА. Но каждая тРНК переносит только один тип аминокисло-

ты. Специфичность взаимодействия определяется последова-

тельностью из трех нуклеотидов в "среднем листке клевера". Эта

последовательность нуклеотидов называется антикодон. Антико-

дон тРНК может комплементарно взаимодействовать с кодоном

мРНК: если в мРНК находится триплет "ААА", то с этим участком

взаимодействует тРНК, имеющая антикодон "УУУ". Каждой паре

кодон-антикодон соответствует своя аминокислота. Количество

вариантов тРНК определяется именно числом возможных анти-

кодонов. Их количество равно числу кодирующих аминокислоты

триплетов (61 вариант).

Процесс трансляции можно разделить на два этапа – дорибо-

сомный и рибосомный. Рассмотрим сначала дорибосомный этап,

или рекогницию. Это очень важный этап в синтезе белка, именно

на этом этапе происходит декодирование, т. е приводится в соот-

ветствие антикодон и аминокислота. Таким образом, собственно

переводчиком генетического кода является тРНК. В дорибосом-

ном этапе трансляции происходят два процесса:

1) Активирование аминокислоты: к аминокислоте присоединя-

ется АТФ, от которого отщепляется пирофосфат, а образовавшийся

комплекс аминокислота+АМФ называется аминоаациладенилат;

2) присоединение активированной аминокислоты к акцептор-

ному стеблю тРНК в соответствии с ее антикодоном. Существуют

группы тРНК, присоединяющие одну и ту же аминокислоту, но

имеющие разные антикодоны (согласно выраженности генетиче-

ского кода). Такие тРНК называют изоакцепторными.

Обе стадии дорибосомного этапа обеспечиваются ферментами

АРС-азами, которые называют также кодазами. Эти ферменты об-

ладают суперспецифичностью, они распознают все изоакцептор-

ные тРНК. Соответственно таких ферментов всего 20 вариантов.

После того, как тРНК соединена со своей аминокислотой, она

может взаимодействовать с рибосомой, ведущей синтез белка. На-

чинается второй этап трансляции – рибосомный. В малой субъе-

динице рибосомы есть функциональный центр, в который входит

ровно 6 нуклеотидов мРНК – два триплета. Именно с этими участ-

ками взаимодействуют (по принципу комплементарности) две

тРНК, соединенные со своими аминокислотами.

Начало трансляции (инициация) – сложный процесс, отли-

чающийся у прокариотических и эукариотических клеток. Глав-

ная цель этого процесса – обеспечить правильное структурное

взаиморасположение мРНК, субъединиц рибосомы и тРНК. Счи-

тывание информации идет таким образом, что первый триплет с

5'-конца мРНК соответствует первой аминокислоте с N–конца по-

липептида. Когда пройдет инициация и две тРНК присоединятся к

рибосоме, начинается ряд последовательных событий:

1) аминокислота первой тРНК отсоединяется от нее и образует

пептидную связь с аминокислотой, находящейся на второй тРНК;

таким образом, ко второй тРНК будут присоединены уже две ами-

нокислоты.

2) первая тРНК без аминокислоты отсоединяется от рибосомы

3) рибосома делает один шаг по матрице (мРНК) и сдвигается

на один кодон, поэтому тРНК, к которой присоединены две ами-

нокислоты, оказывается на первом месте

4) к свободному второму месту присоединяется другая тРНК

со своей аминокислотой

5) цикл начинается заново – до тех пор, пока в мРНК не встре-

тится стоп-кодон.

После завершения синтеза комплекс «мРНК-рибосома-

полипептидная цепь» распадается.

На синтез белка из нескольких сотен аминокислот клетке по-

требуется несколько минут. Когда биохимики разработали соот-

ветствующие методы для получения достаточно длинных поли-

пептидов (в 60-х гг ХХ века), то на образование каждой пептидной

связи требовалось 3 часа. Одним из первых искусственно синте-

зированных белков стал инсулин. На синтез его α-цепи из 21 ами-

нокислоты ушло 8 суток, а на синтез β-цепи из 30 аминокислот

– 11 суток.

Обычно с одной молекулой мРНК связывается не одна, а не-

сколько рибосом, ведущих синтез белка. Такая структура называ-

ется полисома. Каждая рибосома проходит весь путь от первого

кодона до терминирующего, синтезируя одну молекулу белка. Чем

больше рибосом пройдет по мРНК, тем больше молекул белка бу-

дет синтезировано.

В настоящее время установлено, что перемещение и локализа-

ция молекул белка в клетке после завершения синтеза зависит от

внутренних сигнальных последовательностей в молекуле белка.

Это участки из 20 – 30 аминокислот, которые могут находиться в

начале полипептидной цепочки, а могут быть и фрагментами вну-

три её. Они определяют:

- будет белок секретироваться (выводиться) из клетки или оста-

нется в ней;

- в какую конкретную органеллу будет направлен белок (для

каждой органеллы – своя сигнальная последовательность амино-

кислот);

- будет ли белок проникать внутрь органеллы целиком или

останется заякоренным в её мембране.

Если функциональной формой белка является его вторичная

структура, то сразу после окончания синтеза молекула белка может

приступить к своей работе, т. к. полипептидные цепи принимают

вторичную структуру самостоятельно, в течение долей секунды

после завершения синтеза. Но большая часть белков функцио-

нально активна в третичной (или даже четвертичной) структуре.

Они приобретут необходимую структуру и укладку в результате

посттрансляционных преобразований. Эти преобразования

осуществляются в специальных внутриклеточных структурах с

помощью ферментов и/или шаперонов (белков-укладчиков).

Проработав материал глав 2-5,

выполните следующие задания:

1. Последовательность нуклеотидов в одной из цепочек ДНК

3' ТТАГАГЦЦТАЦГАГАТЦААТГ 5'

Какова последовательность нуклеотидов в комплементарной

цепи?

Если данная цепь – кодирующая, то какова последовательность

нуклеотидов в соответствующей мРНК?

2. В смеси находятся два фрагмента двуцепочечной ДНК, име-

ющие следующие последовательности нуклеотидов в одной из

цепей:

№ 1: АТТГТТАААТАТАЦТАТАГАААТАТ

№ 2: ГГЦЦГЦАГЦГГТЦЦЦАГГГЦГЦГЦЦ

Допишите комплементарные цепи в каждом фрагменте. Мож-

но ли разделить фрагменты, изменяя температуру?

3. Известно, что содержание аденина в исследуемом участке

ДНК составляет 15 %. Рассчитайте содержание остальных нукле-

отидов.

4. У вирусов носителем генетической информации может быть

как ДНК, так и РНК. Обе эти молекулы могут быть как двуцепо-

чечными, так и одноцепочечными.

Известно, что в состав нуклеиновой кислоты одного вируса

входит 18 % цитозина и 14 % урацила, в состав нуклеиновой кис-

лоты другого вируса – 22 % гуанина и 28 % тимина. Что можно

сказать о геномах этих вирусов?

5. На одну нуклеотидную пару в двойной цепи ДНК приходит-

ся 0,34 нм.

Структурный белок – гистон Н4 – состоит из 102 аминокислот.

Учитывая, что в генах гистонов нет интронов, рассчитайте длину

участка ДНК, кодирующего этот белок. Сколько времени займет

транскрипция этого гена?

6. Длина гена фермента каталазы у человека составляет 34 000

пар нуклеотидов. Длина соответствующей мРНК – 1 600 нуклео-

тидов (включая 5'-нетранслируемую область и полиА-хвост). Ка-

кая часть гена несет информацию о первичной структуре белка?

Сколько времени потребуется на транскрипцию и трансляцию?

7. Заполните таблицу, указав 3′- и 5′-концы молекул ДНК и

РНК. Какая нить ДНК кодирующая? В каком направлении идет

транскрипция и синтез белка?

ДНК

(две цепи)

А Г Т

Г Г Т Ц А

мРНК У Ц Ц А Г Ц

антикодон тРНК

аминокислота Вал

Приложения

Словарь встречающихся терминов

Аминокислоты – органические вещества, в молекулах кото-

рых содержатся аминогруппа –NH2 и карбоксильная группа

–COOH.

Амплификация – процесс значительного увеличения числа копий

гена в геноме.

Антикодон – триплет, взаимодействующий с кодоном в мРНК,

комплементарен соответствующему кодону.

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота – универсальный хра-

нитель и переносчик энергии в клетках.

Ацетилирование – химическая реакция, приводящая к присоеди-

нению остатка уксусной кислоты.

Белки – нерегулярные линейные полимеры, мономерами которых

являются аминокислоты.

Бластоцисты (или бластомеры) – клетки, возникающие при

делениях дробления, начального этапа эмбрионального раз-

вития, завершающегося образованием бластулы.

Гаплоидный набор хромосом – половинный набор хромосом (1n

в отличие от 2n диплоидного набора).

Ген – единица наследственной информации. Ген – последова-

тельность ДНК, которая транскрибируется как отдельная

единица и кодирует одну или несколько полипептидных це-

пей белка или РНК. Ген – участок ДНК (или РНК у некото-

рых вирусов), в котором заложена информация о структуре

одной или нескольких полипептидных цепях белка или мо-

лекул РНК.

Генетический код – это способ записи информации о последо-

вательности расположения аминокислот в белке с помощью

последовательности нуклеотидов в ДНК (или мРНК).

Геном – вся ДНК гаплоидного набора хромосом.

Гетерохроматин – более плотно упакованные (компактизованные)

участки ДНК; в таких участках мало экспрессирующихся генов.

Гидроксилирование – химическая реакция, приводящая к при-

соединению –ОН группы.

Глобулярные белки – белки у которых соотношение продольной и

поперечной осей меньше 10.

Денатурация – утрата белковой молекулой (или молекулой ДНК)

своей структуры.

Дефосфорилирование – химическая реакция, приводящая к отще-

плению остатка фосфорной кислоты.

Диплоидный – двойной набор хромосом (2n), характерен для

большинства эукариотических клеток.

Дифференцировка клеток – приобретение клетками специализа-

ции, т.е. особенностей строения и функционирования.

ДНК-полимераза – фермент, непосредственно осуществляющий

синтез полинуклеотидной цепи ДНК.