Тема 7 гены и геномы. Матричные процессы в клетке

Генетическая информация. Удвоение ДНК

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далёких групп организмов.

Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий количество сахара в крови, близок по строению у собаки и человека.

Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Например, белки групп крови у человека.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисководной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из 4 полипептидных цепей. У людей страдающих тяжёлым наследственным заболеванием – серповидно клеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки – в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей.

Различие в том, что в двух из четырёх цепей нормального гемоглобина на 6 месте стоит глутоминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как существа, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей – переносом кислорода.

ДНК – матрица для синтеза белков

Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот?

Почему в эритроцитах больного больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием.

Например, книга, изданная тиражом n экземпляров, все n книги отпечатаны с одного шаблона – типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах.

Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК.

ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и о всех белках – ферментах, белках гормонах и др. белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком – ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и др. органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления. Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, то в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом. Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т.е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Вся информация, заключённая в молекуле ДНК, называется генетической. Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идёт по матричному принципу, впервые была сформулирована ещё в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н.К. Кольцевым.

Удвоение ДНК

Двойная спираль ДНК построена по принципу комплиментарности (комплементарность – взаимное дополнение):

А, Г, Ц, Т – азотные основания;

… – водородные связи.

Молекулы ДНК обладают свойством – способностью к удвоению.

Принцип комплементарности лежит и в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплиментарные нуклеотиды.

Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными. Они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплиментарные каждой из разошедшихся цепей.

Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Итак, этапы удвоения ДНК:

• Разрыв водородных связей, скрепляющих нити ДНК; расхождение нитей ДНК.

• Подбор к материнским нитям ДНК комплементарных нуклеотидов.

• Синтез дочерних ДНК.

• Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией. При этом не расходуется энергия АТФ.

• Дочерние молекулы ДНК имеют одинаковые гены, какие были у материнской.

Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений. Следовательно, все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов её потомков.

Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково "испорченный" ген от родителей через их половые клетки.

Ген является единицей генетической (наследственной) информации.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомальных РНК.

Если учесть, что сходство и различие организмов определяется, в конечном счете, набором белков, и мы уже знаем, откуда берется информация о том, какие белки необходимы данному организму, то остается выяснить, как шифруется генетическая информация, как происходит синтез белков.

Образование информационной РНК по матрице ДНК

К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущей информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочная молекула, комплиментарная одной нити молекулы ДНК.

Рис. 22. Схема образования иРНК

по матрице ДНК

Специальный фермент – полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплиментарности нуклеотиды и соединяет их в единые цепочки. Этот процесс называется транскрипцией.

Если в нити ДНК стоит Тимин, то полимераза включает в цепь иРНК Аденин, если стоит Гуанин – включает Цитозин, если Аденин – Урацил (в состав РНК не входит Тимин).

иРНК – копия не всей молекулы ДНК, а только части её, одного гена или группы рядом стоящих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном. Вначале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором. Это специфичная последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент “узнаёт” благодаря химическому сродству.

Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определённой последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания.

Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков – рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.

Ядро ДНК

Рибосомы

В клетке генетическая информация передаётся благодаря транскрипции от ДНК к белку: ДНК → иРНК→ белок.

Генетический код и его свойства

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах иРНК, эта последовательность определяет последовательность аминокислот в белках, т.е. первичную структуру белка. Такая последовательность расположения нуклеотидов называется генетическим кодом. Генетический код записан на “языке” РНК, т.к. она является посредником в синтезе белков.

Свойства генетического кода:

• Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, т.е. триплетом, который получил название кодон. Каждая кислота шифруется более чем одним кодом (от 2 до 6).

• Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.

• Между генами имеются знаки препинания. Для разделения нескольких генов существует три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи.

• Внутри гена нет знаков препинания. Рассмотрим на примере фразы, составленной из триплетов: “жил был кот тих был сер мил мне тот кот”. Смысл записанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если убрать в первом слове 1 букву (один нуклеотид в гене) и читать также тройками букв, то получится бессмыслица: “илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от”. Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого “испорченного” гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

• Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. Одни и те же триплеты кодирует одни и те же аминокислоты.

Таблица 15. Генетический код

Аминокислота	Кодирующие триплеты – кодоны
Аланин	ГЦУ	ГЦЦ	ГЦА	ГЦГ
Аргинин	ЦГУ	ЦГЦ	ЦГА	ЦГГ	АГА	АГГ
Аспарагин	ААУ	ААЦ
Аспарагиновая кислота	ГАУ	ГАЦ
Валин	ГУУ	ГУЦ	ГУА	ГУГ
Гистидин	ЦАУ	ЦАЦ
Глицин	ГГУ	ГГЦ	ГГА	ГГГ
Глутамин			ЦАА	ЦАГ
Глутаминовая кислота			ГАА	ГАГ
Изолейцин	АУУ	АУЦ	АУА
Лейцин	ЦУУ	ЦУЦ	ЦУА	ЦУГ	УУА	УУГ
Лизин			ААА	ААГ
Метионин				АУГ
Пролин	ЦЦУ	ЦЦЦ	ЦЦА	ЦЦГ
Серин	УЦУ	УЦЦ	УЦА	УЦГ	АГУ	АГЦ
Тирозин	УАУ	УАЦ
Треонин	АЦУ	АЦЦ	АЦА	АЦГ
Триптофан				УГГ
Фенилаланин	УУУ	УУЦ
Цистеин	УГУ	УГЦ
Знаки препинания			УГА	УАГ	УАА

В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК. В символическом и одновременно шуточном виде эту взаимосвязь можно выразить следующим образом (рис. 21):

Рис. 23. Символическое изображение кодирования генетической информации

|

Г

Е Б

Н

|

Б

Ы

Символическое изображение последовательности аминокислотных звеньев в будущей молекуле полипептида

Символическое изображение кодонов (триплетов нуклеотидов) в одной из цепочек молекулы ДНК

Е

Л

|

М

А Л

Л

|

Н

Ё О

С

|

К

О К

Д

|

Синтез белка

Биосинтез белка осуществляется в клетке на протяжении всего синтетического периода клеточного цикла.

ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка. К рибосомам, где происходит синтез белка, генетическая информация поступает через посредника – иРНК (рис. 24).

Рис. 24. Схема передачи генетической информации на рибосому

транскрипция трансляция

Репликация Информационная Полипептид

ДНК ДНК

В ядре клетки. В цитоплазме.

с помощью рибосом

Первым этапом на пути реализации информации, записанной в молекуле ДНК, является процесс транскрипции (от лат. transcriptio – переписывание).

Образованная в ядре молекула иРНК выходит через ядерные поры в цитоплазму, на рибосому, где принимает участие в процессе трансляции. Процесс трансляции (от лат. translatio – передача) протекает в цитоплазме, в нем принимают участие иРНК, рибосомы, тРНК, аминокислоты.

Этапы синтеза белка

Первый этап. Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (тРНК). Эти небольшие молекулы, состоящие из 70–90 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что образуют структуры, напоминающие лист клевера. В клетке имеется столько же разных типов тРНК, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине каждого "листа" имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона и иРНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре тРНК называется антикодоном. Специальный фермент "узнает" антикодон и присоединяет к "черешку листа" тРНК не какую угодно, а определенную, "свою" аминокислоту.

Прежде чем включиться в синтезируемую белковую цепь, аминокислота присоединяется своим карбоксильным концом к "черешку" молекулы тРНК. Этим достигается две цели.

Во-первых, спаривание кодона и антикодона позволяет каждой аминокислоте включиться в растущую белковую цепь в том порядке, который диктуется нуклеотидной последовательностью иРНК, так что генетический код используется для перевода – трансляции нуклеотидных последовательностей нуклеиновых кислот в аминокислотные последовательности белков.

Вторая цель, достигаемая присоединением аминокислот к тРНК, заключается в том, что аминокислота таким образом активизируется – на ее карбоксильном конце возникает богатая энергией связь, которая дает ей возможность реагировать с аминогруппой соседней аминокислоты в данной аминокислотной последовательности, то есть дает ей возможность образовывать белковую молекулу. Этот процесс активизации очень важен, поскольку не активированные молекулы аминокислот не принимают участия в процессах образования белковых молекул (спонтанно способен проходить лишь обратный процесс – гидролитический распад пептидных цепей).

На втором этапе тРНК выполняет функцию переводчика с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней имеется два участка: на одном тРНК получает команду от иРНК – антикодон узнает кодон, на другом – выполняет приказ – аминокислота отрывается от тРНК.

Третий этап синтеза белка заключается в том, что фермент синтетаза присоединяет оторвавшуюся от тРНК аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Аминокислоты имеются в цитоплазме клеток постоянно. В растительных клетках они синтезируются из неорганических веществ, а в животные поступают с пищей. Информационная РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном тРНК, затем на второй участок. Сюда же переходит тРНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от тРНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим (рис. 25).

Рис. 25. Схема биосинтеза белка

Первая рибосома вступает на молекулу иРНК с левого конца и ползет слева направо. Рибосома скачком передвигается на следующий триплет, а тРНК отрывается и выталкивается из рибосомы. За ней нанизывается вторая и т. д. По мере продвижения по молекуле иРНК белковая молекула удлиняется. Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Рибосома движется на любую другую иРНК, а белок по ЭПС в определенный участок клетки.

Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Средний по размерам белок состоит из 500 аминокислот, следовательно, столько же молекул АТФ нужно для движения иРНК по рибосоме.

Для увеличения производства белков иРНК часто одновременно происходит не через одну, а через несколько рибосом – последовательно. Такую структуру, объединенную одной молекулой иРНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в этом похожем на нитку бус конвейере последовательно синтезируются несколько молекул одинаковых белков (рис. 26).

Рис. 26. Синтез белков на полисоме

Аминокислоты беспрерывно поставляются к рибосомам с помощью тРНК. Отдав аминокислоту, молекула тРНК тут же соединяется с другой такой же аминокислотой. Высокая слаженность всех "служб комбината" по производству белков позволяет в течение нескольких минут синтезировать молекулы, состоящие из сотен аминокислот. Синтез белка на рибосомах носит название трансляции (от лат. "трансляцио" – передача).

Процесс синтеза белковых молекул можно представить в виде таблицы.

Таблица 16. Этапы синтеза белка

	Этапы	Локализация в клетке	Особенности этапа
Подготовка к синтезу	1 (транскрипция)	ядро	Синтез иРНК, зашифровка генетического кода
	2	ядро, ядерная оболочка, цитоплазма, рибосома	Перенос на иРНК зашифрованной генетической информации из ядра, через ядерную оболочку и цитоплазму к рибосоме
Синтез белка	1	цитоплазма	тРНК присоединяет к себе аминокислоту
	2	рибосома	тРНК переносит аминокислоту к рибосоме
	3 (трансляция)	рибосома	рРНК (фермент синтеза) забирает аминокислоту у тРНК и присоединяет ее к растущей полипептидной цепи