Лекция 4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Вопросы лекции:

1. Рибонуклеиновые кислоты

2. Транскрипция: синтез РНК на ДНК-матрице

3. Обратная транскрипция

4. Процессинг или созревание мРНК

5. Трансляция: синтез белков в клетке

6. Основные этапы в исследовании нуклеиновых кислот

Рибонуклеиновые кислоты.Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды. Молекула РНК представляет собой односпиральную нуклеотидную цепь, которая в некоторых участках может быть двуспиральной с образованием водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (А-У, Г-Ц). Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями ДНК и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках находится три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная или матричная (иРНК или мРНК). Составляет 5% клеточной РНК. Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. У эукариот мРНК состоит из цистроном – участков, определяющих последовательность аминокислот в молекуле синтезируемого белка, а также нетранслируемых областей, расположенных на концах молекулы. На 5'-конце мРНК находится кэп (от англ. cap – колпачок), состоящий из 7-метилгуанозинтрифосфата, который предохраняет этот конец мРНК от расщепления и используется для специфического узнавания в системе трансляции. За кэпом следуют 3-15 нуклеотидов, функция которых состоит в обеспечении правильного взаимодействия 5'-конца с рибосомой. За нуклеотидами находится инициирующий кодон, с которого начинается синтез молекулы белка, затем цистрон, который завершается терминирующим кодоном на 3'-конце.

2. Рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 75-90% всей РНК клетки. Рибосомальная РНК содержит многочисленные спирализованные участки, каждый из которых содержит до 10 нуклеотидов. Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК. Рибосомальная РНК не обладает матричными свойствами, т. е. не несет генетической информации.

3. Транспортные РНК (тРНК). Составляют около 15% всей РНК клетки. Пространственная структура тРНК в плоском изображении представлена универсальной моделью «клеверного листа». Существует 61 тип тРНК с разными антикодонами. На 5'-конце у большинства тРНК находится остаток гуаниловой кислоты, а на 3'-конце, который называется акцепторным, располагается тринуклеотид ЦЦА, способный присоединять специфическую аминокислоту. В противоположной стороне от акцепторной ветви тРНК располагается антикодон, состоящий из триплета нуклеотидов, комплементарных кодону мРНК. Боковые ветви тРНК подразделяются на Т-ветвь, которая обеспечивает взаимодействие тРНК с рибосомами, и Д-ветвь, обеспечивающую взаимодействие тРНК с соответствующей аминоцил-тРНК-синтетазой.

Транскрипция: синтез РНК на ДНК-матрице.Двухцепочечная молекула ДНК является матрицей для синтеза всех клеточных РНК. Проследим процесс «перезаписи» информации о нуклеотидной последовательности ДНК на уровень РНК. Такой процесс называется биологической транскрипцией (от лат. transcription – переписывание). В результате транскрипции образуются молекулы матричной РНК.

Процесс транскрипции может осуществляться лишь при наличии необходимых биомолекул: ДНК, предшественников для синтеза мРНК и РНК-полимеразы.

РНК-полимераза выступает в качестве катализатора. Она расплетает ДНК в том месте, где продолжается транскрипция, и заплетает ее там, где она закончена. Транскрипция начинается на промоторе (от лат. promovere – продвигать) и заканчивается на терминаторе (от лат. terminum – предел, граница). Присоединившись к промотору, РНК-полимераза локально расплетает молекулу ДНК, разделяя азотистые основания цепей. Одна из двух цепей становится матрицей, к которой по принципу комплементарности присоединяются свободные рибонуклеотиды. Цепь мРНК растет в направлении 5'-3'. У терминатора синтез мРНК заканчивается, после чего РНК-полимераза и мРНК отделяются друг от друга, а ДНК восстанавливает свою структуру. Скорость синтеза при 37⁰С составляет примерно 30 нуклеотидов в секунду, поэтому синтез цепи мРНК длиной 5000 нуклеотидов длится около 3 минут. Синтез мРНК происходит в ядре клетки, которое она покидает через ядерные поры. При этом ДНК остается в ядре.

Обратная транскрипция.У всех клеточных организмов передача наследственной информации осуществляется в последовательности ДНК→РНК→белки. Возникает вопрос: является ли передача генетической информации строго однонаправленным процессом или же возможны обратная транскрипция (РНК→ДНК) и обратная трансляция (белки→РНК, ДНК)? Генетические исследования показали, что существует обратная транскрипция. Она характерна для класса ретровирусов (от лат. retro – обратно, назад). Ретровирусы представляют собой класс РНК-содержащих вирусов.

Обратная транскрипция представляет собой многоэтапный процесс. В конце этого процесса образуется молекула ДНК, комплементарная вирусной РНК.

Процессинг или созревание мРНК.Синтезированная молекула мРНК (первичный транскрипт) подвергается дополнительным превращениям. В большинстве случаев исходная молекула мРНК разрезается на отдельные фрагменты. Одни фрагменты – интроны (вставки, не имеющие смыслового значения) расщепляются до нуклеотидов, а другие – экзоны (последовательности генов), сшиваются в зрелую мРНК. Процесс соединения экзонов «без узелков» называется сплайсинг (от англ. splice – сравнивание).

Трансляция: синтез белка в клетке.В ходе реакции матричного синтеза на основании генетического кода синтезируется белок с наследственно обусловленной структурой. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного белка, называется геном. Ген является единицей наследственной информации, носителями которой являются нуклеиновые кислоты.

Генетический код обладает следующими свойствами:

а) генетический код триплетен – каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом мРНК, при этом кодоны ничем не отделены друг от друга;

б) генетический код является избыточным или вырожденным, т. к. почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами, только метионину и триптофану соответствует по одному кодону (табл.2);

Таблица 2. Соответствие кодонов иРНК аминокислотам

 

Первая буква кодона	Вторая буква кодона	Третья буква кодона
У	Ц	А	Г
У	УУУ Фен УУЦ Фен УУА Лей УУГ Лей	УЦУ Сер УЦЦ Сер УЦА Сер УЦГ Сер	УАУ Тир УАЦ Тир УАА «Охра» УАГ «Янтарь»	УГУ Цис УГЦ Цис УГА нет смысла УГГ Три	У Ц А Г
Ц	ЦУУ Лей ЦУЦ Лей ЦУА Лей ЦУГ Лей	ЦЦУ Про ЦЦЦ Про ЦЦА Про ЦЦГ Про	ЦАУ Гис ЦАЦ Гис ЦАА Глун ЦАГ Глун	ЦГУ Арг ЦГЦ Арг ЦГА Арг ЦГГ Арг	У Ц А Г
А	АУУ Илей АУЦ Илей АУА Илей АУГ Мет	АЦУ Тре АЦЦ Тре АЦА Тре АЦГ Тре	ААУ Аспн ААЦ Аспн ААА Лиз ААГ Лиз	АГУ Сер АГЦ Сер АГА Арг АГГ Арг	У Ц А Г
Г	ГУУ Вал ГУЦ Вал ГУА Вал ГУГ Вал	ГЦУ Ала ГЦЦ Ала ГЦА Ала ГЦГ Ала	ГАУ Асп ГАЦ Асп ГАА Глу ГАГ Глу	ГГУ Гли ГГЦ Гли ГГА Гли ГГГ Гли	У Ц А Г

 

в) генетический код является неперекрывающимся – каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону;

г) генетический код един для подавляющего большинства биологических систем.

Решающее значение в синтезе белков наряду с мРНК имеют тРНК и рРНК. Транспортная РНК выполняет адапторную функцию (от лат. adaptere – приспособлять). Она приспосабливает аминокислоты к нуклеотидным последовательностям мРНК. Транспортируемая аминокислота под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы прикрепляется к акцепторному концу молекулы тРНК, заканчивающейся группой ОН.

В результате такого присоединения тРНК превращается в аминоацил-тРНК (она заканчивается аминогруппой NH₂). Каждая тРНК способна переносить всего одну из 20 аминокислот.

Процесс синтеза белка протекает на специальных клеточных органоидах – рибосомах. Каждая рибосома содержит две субъединицы – большую и малую. Малая субъединица удерживает мРНК и тРНК, а большая катализирует образование пептидных связей между аминокислотами. Рибосомальная РНК в свою очередь является катализатором процесса синтеза белков.

В рибосоме имеются два смежных активных центра (сайта) для двух тРНК: А – участок (аминоацильный, который служит для присоединения аминоацил – тРНК) и Р – участок (пептидилтрансферазный, который служит для образования пептидной связи между аминокислотами).

Трансляция, как и все матричные процессы, включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Сущность инициации заключается в образовании пептидной связи между двумя первыми аминокислотами белка. Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная тРНК. Инициирующий комплекс узнает начало мРНК,

присоединяется к ней и скользит до точки начала синтеза белка. В большинстве случаев это стартовый кодон АУГ. Между стартовым кодоном мРНК и антикодоном инициаторной тРНК происходит кодонзависимое связывание с образованием водородных связей. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы.

Первоначально инициаторная тРНК находится на А-участке, а затем перемещается на Р-участок. На освободившийся А-участок поступает аминоцил-тРНК с антикодоном, который комплементарен кодону мРНК, следующему за стартовым кодоном. В результате кодонзависимого связывания между кодоном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК образуются водородные связи. Таким образом, на рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Ковалентная связь между первой аминокислотой и ее тРНК разрывается.

После образования пептидной связи между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. Происходит перемещение (транслокация) инициаторной тРНК за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате тРНК освобождается и уходит на поиск своей новой аминокислоты. Вторая тРНК вместе с аминокислотой в результате транслокации оказывается на Р-участке, а А-участок освобождается для новой тРНК с аминокислотой.

Сущность элонгации (второго этапа синтеза белка) заключается в присоединении последующих аминокислот, т. е. в наращивании полипептидной цепи.

Терминация заключается в окончании синтеза полипептидной цепи. В конце синтеза рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК. Существует три таких кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается и наращивание полипептидной цепи прекращается. Рибосома под воздействием определенных ферментов вновь разделяется на две субъединицы.