Молекулярні основи спадковості та мінливості
1. Нуклеїнові кислоти, їх будова і функції
Нуклеїнові кислоти - це лінійні нерозгалужені гетерополімерів, мономерами яких є нуклеотиди, пов'язані фосфодиэфирными зв'язками.
Нуклеотиди - це органічні речовини, молекули яких складаються із залишку пентозы (рибозы або дезоксирибозы), до якого ковалентноприєднані залишок фосфорної кислоти та азотисту основу. Азотисті основи в складі нуклеотидів діляться на дві групи: пуринові (аденін і гуанін) іпиримидиновые (цитозин, тимін і урацил). Дезоксирибонуклеотиды включають в свій склад дезоксирибозу і одна з азотистих основ: аденін (А),гуанін (Р), тимін (Т), цитозин (Ц). Рибонуклеотиды включають в свій склад рибозу і одна з азотистих основ: аденін (А), гуанін (Р), урацил (У),цитозин (Ц). генетичний код кислота біосинтез
У ряді випадків у клітинах зустрічаються і різноманітні похідні від перелічених азотистих основ - мінорні підстави, що входять до складу мінорних нуклеотидів.
Вільні нуклеотиди і подібні з ними речовини грають важливу роль в обміні речовин. Наприклад, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) і НАДФ(никотинамидадениндинуклеотидфосфат) служать переносниками електронів і протонів.
Вільні нуклеотиди здатні приєднувати ще 1...2 фосфорні групи, утворюючи макроергічні сполуки. Універсальним джерелом енергії в клітині є АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, що складається з аденіну, рибозы та трьох залишків фосфорної (пирофосфорной) кислоти. При гідролізі однієї кінцевої пирофосфатнойзв'язку виділяється близько 30,6 кДж/моль (або 8,4 ккал/моль) вільної енергії, яка може використовуватися кліткою. Така пірофосфатная зв'язок називаєтьсямакроэргической (високоенергетичної).
Крім АТФ існують і інші макроергічні сполуки на основі нуклеотидів: ГТФ (містить гуанін; бере участь в біосинтезі білків, глюкози), УТФ (містить урацил; бере участь у синтезі полісахаридів).
Нуклеотиди здатні утворювати циклічні форми, наприклад, цАМФ, цЦМФ, цГМФ. Циклічні нуклеотиди виконують роль регуляторів різних фізіологічних процесів.
Нуклеїнові кислоти
Існує два типи нуклеїнових кислот: ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота). Нуклеїнові кислоти забезпечують зберігання, відтворення і реалізацію генетичної (спадкової) інформації. Ця інформація відображена (закодована) у вигляді нуклеотидних послідовностей. Зокрема, послідовність нуклеотидів відображає первинну структуру білків (см. нижче). Відповідність між амінокислотами і кодирующими їх нуклеотидными послідовностями називається генетичним кодом. Одиницею генетичного коду ДНК і РНК є триплет - послідовність із трьох нуклеотидів.
Нуклеїнові кислоти - це хімічно активні речовини. Вони утворюють різноманітні сполуки з білками - нуклеопротеиды, або нуклеопротеины.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - це нуклеїнова кислота, мономерами якого є дезоксирибонуклеотиды. ДНК є первинним носієм спадкової інформації. Це означає, що вся інформація про структуру, функціонування і розвитку окремих клітин і цілісного організму записана у вигляді нуклеотидних послідовностей ДНК.
Нуклеїнові кислоти були відкриті Мишером у 1868 р. Проте лише в 1924 р. Фельген довів, що ДНК є обов'язковим компонентом хромосом. У 1944 р. Евері, Мак-Леод іМак-Карті встановили, що ДНК відіграє вирішальну роль у збереженні, передачі та реалізації спадкової інформації.
Існує кілька типів ДНК: А, В, Z, Т-форми. З них в клітинах зазвичай зустрічається В-форма - подвійна правозакрученная спіраль, яка складається з двох ниток (або ланцюгів), пов'язаних між собою водневими зв'язками. Кожна нитка представлена чергуються залишкамидезоксирибозы і фосфорної кислоти, причому, до дезоксирибозе ковалентно приєднується азотисту основу. При цьому азотисті основи двох ниток ДНК спрямовані один до одного і за рахунок утворення водневих зв'язків утворюють комплементарні пари: А=Т (два водневих зв'язки) і Р≡Ц (три водневих зв'язку). Тому нуклеотидні послідовності цих ланцюгів однозначно відповідають один одному. Довжина витка подвійної спіралі дорівнює 3,4 нм, відстань між суміжними парами азотистих основ 0,34 нм, діаметр подвійної спіралі 1,8 нм.
У эукариотических клітинах ДНК існує у вигляді нуклеопротеиновых комплексів, до складу яких входять білки-гистоны.
Довжина ДНК вимірюється числом нуклеотидних пар (сокращ. - пн, або b). Довжина однієї молекули ДНК коливається від кількох тисяч пн(сокращ. - тжн, або Kb) до декількох мільйонів пн (мп н, або Mb).
Розмір геному (мінімальна сумарна довжина ДНК) у різних біологічних видів різна: процесів, що забезпечують відтворення генетичної інформації. В результаті реплікації однієї молекули ДНК утворюється дві нові молекули, які є точною копією вихідної молекули - матриці. Кожна нова молекула складається з двох ланцюгів - однієї з батьківських і однією з сестринських. Такий механізм реплікації ДНК називаєтьсяполуконсервативным.
Реакції, в яких одна молекула гетерополимера служить матрицею (формою) для синтезу іншої молекули гетерополимера з комплементарної структурою, називаються реакціями матричного типу. Якщо в ході реакції утворюються молекули того ж речовини, яка служить матрицею, то реакція називається автокаталитической. Якщо ж в ході реакції на матриці однієї речовини утворюються молекули іншої речовини, то така реакція називається гетерокаталитической. Таким чином, реплікація ДНК (тобто синтез ДНК на матриці ДНК) є автокаталитической реакцією матричного синтезу.
До реакцій матричного типу відносяться, в першу чергу, реплікація ДНК (синтез ДНК на матриці ДНК), транскрипція ДНК (синтез РНК на матриці ДНК) і трансляція РНК (синтез білків на матриці РНК). Однак існують і інші реакції матричного типу, наприклад, синтез РНК на матриці РНК і синтез ДНК на матриці РНК. Два останніх типи реакцій спостерігаються при зараженні клітки певними вірусами. Синтез ДНК на матриці РНК (зворотна транскрипція широко використовується в генній інженерії.
Усі матричні процеси складаються з трьох етапів: ініціації (початку), елонгації (продовження) термінації (закінчення).
Реплікація ДНК - це складний процес, в якому бере участь кілька десятків ферментів. До найважливіших з них відносяться ДНК-полімерази (кілька типів), праймазы, топоізомеразу, лігази та інші. Головна проблема при реплікації ДНК полягає в тому, що в різних ланцюгах однієї молекули залишки фосфорної кислоти направлені в різні боки, але нарощування ланцюгів може відбуватися тільки з того кінця, який закінчується групою ВІН. Тому в реплицируемом ділянці, який називається вилкою реплікації процес реплікації протікає на різних ланцюгах по-різному. На одній з ланцюгів, яка називається ведучою, відбувається безперервний синтез ДНК на матриці ДНК. На інший ланцюга, яка називається запаздывающей, спочатку відбувається зв'язування праймера - специфічного фрагмента РНК. Праймер служить початком для синтезу фрагмента ДНК, який називається фрагментом Оказакі. Надалі праймер видаляється, а фрагменти Оказакі зшиваються між собою в єдину нитку ферменту ДНК-лігази. Реплікація ДНК супроводжується репарацией - виправленням помилок, неминуче виникають при реплікації. Існує безліч механізмів репарації.
Рибонуклеїнова кислота (РНК) - це нуклеїнова кислота, мономерами якого є рибонуклеотиды.
В межах однієї молекули РНК є кілька ділянок, які комплементарны один одному. Між такими комплементарними ділянками утворюються водневі зв'язки. У результаті в одній молекулі РНК чергуються двуспиральные і односпиральные структури, і загальна конформація молекули нагадує конюшиновий лист на черешку.
Азотисті основи, що входять до складу РНК, здатні утворювати водневі зв'язки з комплементарними підставами і ДНК, і РНК. При цьому азотисті підстави утворюють пари А=В, А=Т і Р≡Ц. Завдяки цьому можлива передача інформації від ДНК до РНК, від РНК до ДНК і від РНК до білків.
У клітинах виявляється три основні типи РНК, виконують різні функції:
1. Інформаційна, або матрична РНК (иРНК, або мРНК). Становить 5% клітинної РНК. Служить для передачі генетичної інформації від ДНК на рибосоми при біосинтезі білка. У эукариотических клітинах иРНК (мРНК) стабілізована за допомогою специфічних білків. Це робить можливим продовження біосинтезу білка навіть у тому випадку, якщо ядро неактивно.
2. Рибосомна, або рибосомальная РНК (рРНК). Становить 85% клітинної РНК. Входить до складу рибосом, визначає форму великої і малоїрибосомних субодиниць, забезпечує контакт рибосоми з іншими типами РНК.
3. Транспортна РНК (тРНК). Становить 10% клітинної РНК. Транспортує амінокислоти до відповідної ділянки иРНК в рибосомах. Кожен тип тРНК транспортує певну амінокислоту.
У клітинах є й інші типи РНК, що виконують допоміжні функції.
Всі типи РНК утворюється в результаті реакції матричного синтезу. У більшості випадків матрицею служить одна з ланцюгів ДНК. Таким чином, синтез РНК на матриці ДНК є гетерокаталитической реакцією матричного типу. Цей процес називається транскрипцією і контролюється певними ферментами - РНК-полимеразами (транскриптазами).
2. Основні етапи біосинтезу білків
Біосинтез білків в клітинах являє собою послідовність реакцій матричного типу, в ході яких послідовна передача спадкової інформації з одного типу молекул на інший призводить до утворення поліпептидів з генетично обумовленою структурою.
Біосинтез білків являє собою початковий етап реалізації, або експресії генетичної інформації. До основних матричних процесів, які забезпечують біосинтез білків, відносяться транскрипція ДНК і трансляція мРНК. Транскрипція ДНК полягає в переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну, або інформаційну РНК). Трансляція мРНК полягає в перенесенні інформації з мРНК на поліпептид. Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна представити у вигляді схеми.
| нетранскрибируемая ланцюг ДНК | А Т Р | Г Г Ц | Т А Т |
| транскрибируемая ланцюг ДНК | Т А Ц | Ц Ц Г | А Т А |
| транскрипція ДНК | | | |
| кодони мРНК | А У Р | Г Г Ц | У А У |
| трансляція мРНК | | | |
| антикодоны тРНК | У А Ц | Ц Ц Г | А У А |
| амінокислоти білка | метіонін | гліцин | тирозин |
На схемі видно, що генетична інформація про структуру білка зберігається у вигляді послідовності триплетів ДНК. При цьому лише одна з ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції (така ланцюг називається транскрибируемой). Друга ланцюг є комплементарної по відношенню до транскрибируемой і не бере участь в синтезі мРНК.
Молекула мРНК служить матрицею для синтезу поліпептиду на рибосомах. Триплети мРНК, що кодують певну амінокислоту, називаютьсякодони. У трансляції беруть участь молекули тРНК. Кожна молекула тРНК містить антикодон - розпізнає триплет, в якому послідовність нуклеотидів комплементарна по відношенню до певного кодону мРНК. Кожна молекула тРНК здатна переносити строго певну амінокислоту. З'єднання тРНК з амінокислотою називається аминоацил-тРНК.
Молекула тРНК за загальною конформації нагадує конюшиновий лист на черешку. «Вершина листа» несе антикодон. Існує 61 тип тРНК з різними антикодонами. До «черешка листка» приєднується амінокислота (існує 20 амінокислот, що беруть участь у синтезі поліпептидів на рибосомах). Кожній молекулі тРНК з певним антикодоном відповідає строго певна амінокислота. У той же час, певної амінокислоти звичайно відповідає кілька типів тРНК з різними антикодонами. Амінокислота ковалентно приєднується до тРНК з допомогою ферментів - аминоацил-тРНК-синтетаз. Ця реакція називається аминоацилированием тРНК.
На рибосомах до певного кодону мРНК з допомогою специфічного білка приєднується антикодон відповідної молекули аминоацил-тРНК. Таке зв'язування мРНК і аминоацил-тРНК називається кодонзависимым. На рибосомах амінокислоти з'єднуються між собою за допомогоюпептидних зв'язків а вивільнені молекули тРНК йдуть на пошуки вільних амінокислот.
Розглянемо докладніше основні етапи біосинтезу білків.
1 етап. Транскрипція ДНК. На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежною РНК-полімерази добудовуєтьсякомплементарна ланцюг мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрибируемой ланцюги ДНК з тією різницею, що замістьдезоксирибонуклеотидов до її складу входять рибонуклеотиды, до складу яких замість тиміну входить урацил.
2 етап. Процесинг (дозрівання) мРНК. Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворень. У більшості випадків вихідна молекула мРНК розрізається на окремі фрагменти. Одні фрагменти - интроны - розщеплюються до нуклеотидів, а інші - экзоны - зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називається сплайсинг.
Сплайсинг характерний для еукаріотів і архебактерий, але іноді зустрічається і у прокаріотів. Існує кілька видів сплайсингу. Сутність альтернативного сплайсингу полягає в тому, що одні і ті ж ділянки вихідної мРНК можуть бути і интронами і экзонами. Тоді одному і тому ж ділянці ДНК відповідає кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька різних форм одного і того ж білка. Сутністьтранс-сплайсингу полягає в з'єднання екзонів, які кодуються різними генами (іноді навіть з різних хромосом), в одну зрілу молекулу мРНК.
3 етап. Трансляція мРНК. Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію (початок), элонгацию (продовження) терминацию (закінчення).
Ініціація. Сутність ініціації полягає в утворенні пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.
Спочатку утворюється ініціюючий комплекс, до складу якого входять: мала субодиниця рибосоми, специфічні білки (фактори ініціації) і спеціальна инициаторная метиониновая тРНК з амінокислотою метіоніном - Мет-тРНКМет. Ініціюючий комплекс дізнається початок мРНК, приєднується до неї і ковзає до точки ініціації (початку) біосинтезу білка: в більшості випадків це стартовий кодонАУГ. Між стартовим кодоном мРНК і антикодоном метіоніновим тРНК відбувається кодонзависимое зв'язування з утворенням водневих зв'язків. Потім відбувається приєднання великої субодиниці рибосоми.
При об'єднанні субодиниць утворюється цілісна рибосома, яка несе два активних центру (сайту): А-ділянку (аминоацильный, який служить для приєднання аминоацил-тРНК) і Р-ділянку (пептидилтрансферазный, який служить для утворення пептидного зв'язку між амінокислотами).
Спочатку Мет-тРНКМет знаходиться на А-ділянці, але потім переміщається на Р-ділянку. На звільнену А-ділянка надходитьаминоацил-тРНК з антикодоном, який комплементарен кодону мРНК, наступного за кодоном АУГ. У нашому прикладі це Глі-тРНКГліз антикодоном ЦЦГ, який комплементарен кодону ГГЦ. В результаті кодонзависимого зв'язування між кодоном мРНК і антикодономаминоацил-тРНК утворюються водневі зв'язки. Таким чином, на рибосомі опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Ковалентний зв'язок між першою амінокислотою (метіоніном) і її тРНК розривається.
Після утворення пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами рибосома переміщується на один триплет. В результаті відбувається транслокація (переміщення) инициаторной метіоніновим тРНКМет за межі рибосоми. Воднева зв'язок між стартовим кодоном і антикодоном инициаторной тРНК розривається. В результаті вільна тРНКМет відщеплюється і йде на пошук своєї амінокислоти.
Друга тРНК разом з амінокислотою (у нашому прикладі Глі-тРНКГлі) у результаті виявляється на транслокації Р-ділянці, а А-ділянка звільняється.
Елонгація. Сутність елонгації полягає в приєднанні наступних амінокислот, тобто в нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзависимого зв'язування мРНК і аминоацил-тРНК на А-ділянці, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючої поліпептидного ланцюгом і транслокації із звільненням А-ділянки.
На звільнену А-ділянка надходить аминоацил-тРНК з антикодоном, відповідним наступного кодону мРНК (у нашому прикладі це Тир-тРНКТир з антикодоном АУА, який комплементарен кодону УАУ).
На рибосомі опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Зв'язок між попередньою амінокислотою і її тРНК (в нашому прикладі між гліцином і тРНКГлі) розривається.
Потім рибосома зміщується ще на один триплет, і в результаті транслокації тРНК, яка була на Р-ділянці (у нашому прикладітРНКГлі), опиняється за межами рибосоми і відщеплюється від мРНК. А-ділянка звільняється, і робочий цикл рибосоми починається спочатку.
Термінація. Полягає в закінчення синтезу поліпептидного ланцюга.
Зрештою, рибосома досягає такого кодона мРНК, якій не відповідає жодна тРНК (і ні одна амінокислота). Існує три таких нонсенс-кодона: УАА («охра»), УАГ («янтар»), УГА («опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми переривається, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову розділяється на субодиниці.
Експресія і регуляція генів
Білки - основні детермінанти фенотипу організму. З них побудовані і ферментативний апарат, який забезпечує метаболічну, енергетичну і біосинтетичні активність всіх клітин, і регуляторні елементи, координуючі ці види активності у відповідь на ендогенні та екзогенні сигнали. Білки є також основними компонентами багатьох структурних елементів, що характеризують морфологію клітини і опосредующих її рух. Говорячи в двох словах, організми - це в кінцевому рахунку ті білки, які вони самі і виробляють.
1 2 3