Биосинтез макромолекул
Биохимия руководства
Автор: Григорий Чиж Редакция: Полина Наймушина, Елена Попова
Оформление: Никита Родионов, Майя Половицкая Публикация: 31.08.2021
MEDACH
Введение
Структура ДНК
Уровни структуры ДНК Функциональные элементы
В основе жизнедеятельности клетки лежит процесс интерпретациихромосомданных. Чтосвообще можно
|
найти в нашем геноме? |
||
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Но прежде чем показать, как все это |
|||
происходит, я напомню базовые моменты. |
Гены и догма молекулярной |
||
|
биологии |
||
(перейти к главе 1) |
Проект ENCODE |
||
Транспозоны |
|||
|
|||
|
Повторы простых |
||
|
последовательностей (simple |
||
|
|||
|
sequence repeats, SSR) |
||
Материал по теме: Подкаст о биохимии (и зачем она врачу) |
|||
|
Белки хроматина |
||
|
|
Метаболизм ДНК. Репликаци |
|
|
|
||
|
|||
Введение |
|
Нюансы и интересные факты |
|
Синтез РНК и |
|||
|
полипептидов |
||
ДНК — это полимер, состоящий из дезоксирибонуклеотидов — нуклеотидов, у которых
Синтез РНК. Транскрипция
«отобрали» ОН-группу при втором атоме рибозы. Получается это в ходе следующей реакции (рис. 1): Процессинг как
промежуточный этап на пути синтеза белка
Трансляция
Укладка полипептидов. Посттрансляционный процессинг полипептидов
Клинические аспекты биосинтеза макромолекул
Антибактериальные и синтетические противомикробные препарат угнетающие синтез белка в
бактериальных клетках
Рисунок 1 | Образование дезоксирибонуклеотидов
Стоит обратить внимание на важную роль НАДФН, который участвует в восстановлении тиоредоксина в тиоредоксинредуктазной реакции (см. рис. 1). Источником НАДФН является пентозофосфатный цикл глюкозы, о котором я расскажу в следующей статье. В отличие от РНК, в состав ДНК входят нуклеотиды с тимином, а не с урацилом. Откуда берется тимин, показано в реакции, изображенной на рис. 2.
Рисунок 2 | Образование дезокситимидинмонофосфата
Здесь также большое значение имеет НАДФН из пентозофосфатного цикла. Однако помимо НАДФН, важными участниками образования тимина (если быть занудой, дезокситимидинмонофосфата) являются фолиевая кислота и витамин В12 (восстанавливает фолиевую кислоту до активной формы, не указан на данном рисунке) [1]. Это объясняет механизм мегалобластной анемии, а также именно эта реакция является фармакологической мишенью таких противоопухолевых препаратов, как 5- фторурацил и метотрексат.
Субстратом для синтеза нуклеиновых кислот, как известно из прошлой статьи, служат пуриновые (аденин, гуанин, которые часто реутилизируются) и пиримидиновые (урацил, цитозин, тимин) нуклеотиды. Образование азотистых оснований требует активного вовлечения аминокислот (аспартат, глутамин, глицин), фолиевой кислоты и даже аммиака (в виде NH4+ иона). Нуклеотиды синтезируются эндогенно, и биохимическую цепочку превращений здесь можно представить в упрощенном виде следующим образом: аминокислоты → азотистые основания → нуклеотиды → нуклеиновые кислоты. Поэтому белковая недостаточность (ситуация, когда белков и аминокислот в организме расходуется больше, чем поступает) может привести к ухудшению пролиферативных и регенераторных процессов [1, 3, 8].
Структура ДНК
Уровни структуры ДНК
Для понимания того, что далее будет описано в этой статье, тебе следует помнить об уровнях структуры ДНК. Материал для меня самого очень непростой, но фундаментальный, и потому крайне важный.
Первичная структура ДНК — последовательность дезоксирибонуклеотидов (ДРН) в виде единой полинуклеотидной цепи.
Вторичная структура ДНК — это две полинуклеотидные цепи, соединенные между собой водородными связями и упакованные в виде спирали.
В ходе последовательной укладки при участии гистоновых белков формируется третичная структура ДНК, которую называют хромосомой. В клетке она располагается в комплексе с белками (нуклеопротеидами), и весь этот комплекс (хромосома + белки) носит название хроматина. Чуть позже мы рассмотрим, каковы современные представления относительно пространственной организации хроматина в клетке, и выясним, почему здесь все не так просто, как говорят в университете и пишут в учебниках.
Функциональные элементы хромосом. Что вообще можно найти в нашем геноме?
На рис. 3 схематически представлены функциональные составляющие нашего генома. Можно обратить внимание на то, что гены — участки ДНК, кодирующие информацию о структуре различных полипептидов, составляют всего 30 % от всего генома. Если посмотреть еще внимательнее, то на схеме можно найти такое слово, как экзоны — последовательности ДНК, которые несут информацию о структуре полипептидов и РНК. Удивительно, но получается, что лишь 1,5 % нашего генома что-либо кодирует. А зачем тогда вообще остальные составляющие? Попробуем разобраться и не сойти с ума. Начнем по порядку.
Рисунок 3 | Типы последовательностей в геноме человека
Гены и догма молекулярной биологии
Ген — участок ДНК, несущий информацию о функциональным полипептиде или о молекуле РНК. Ген кодирует первичную последовательность аминокислот.
Согласно центральной догме молекулярной биологии (которая, кстати, уже давно не догма), биологическая информация, заключенная в геноме, превращается в функционально активные белки путем серии процессов (ранее считалось, что они однонаправлены), которые можно схематично изобразить так:
ДНК → (транскрипция) → РНК → (трансляция) → белок
Нетрудно заметить, что первым процессом является транскрипция — процесс считывания информации об аминокислотной последовательности пептидов с ДНК и перенос этой информации на рибонуклеиновую кислоту (РНК).
Информация о структуре полипептидов заключена именно в генах. Ген в структурном отношении представляет из себя совокупность кодонов — участков ДНК, состоящих из трех нуклеотидов. Каждый кодон кодирует одну аминокислоту: это достаточно простой принцип кодирования [3].
Как уже стало ясно, далеко не все участки ДНК обязательно что-то кодируют… Или нет?
Проект ENCODE
«Около 99 % ДНК человека в принципе ничего не кодирует и не несет какой-либо информации о белках или РНК». Этот тезис разбивается в пух и прах при знакомстве с результатами работы проекта ENCODE, с которыми можно ознакомиться тут. Один из главных выводов заключается в следующем: бо́льшая часть (80,4 %) генома человека участвует по крайней мере в одном биохимическом событии, связанном с РНК и/ или хроматином [16].
Если говорить непосредственно о генах, то в них все же встречаются некодирующие последовательности, и называются они интронами. Они к месту или не к месту вставлены внутри генов между кодирующими участками ДНК, которые несут какуюлибо информацию и называются экзонами [6]. В генах интроны перемешаны с экзонами. Количество интронов в одном гене может достигать 85 %. К чему такие сложности?
У прокариот лишь немногие гены содержат интроны, а у эукариот интронов очень много. Сравни сложность организации бактерий и сложность организации студента
обыкновенного. Еще больше вопросов вызывает тот факт, что генов-то у нас не намного больше.
Считается, что такое усложнение в структуре ДНК является следствием сложности нашей биологической организации: чтобы построить такое произведение биологического искусства, как наш организм, требуется очень тонкая регулировка процессов реализации генетической информации. Один из аспектов этой тонкой регулировки — жонглирование экзонами и интронами на посттранскрипционном этапе, который называется альтернативным сплайсингом. Об этом информация будет чуть ниже, но пока могу сказать, что явление альтернативного сплайсинга позволяет получить множество разнообразных белков из ограниченного числа генов. Повидимому, для достижения биологического разнообразия клеткам проще было научиться управлять малым числом генов, чем увеличивать их количество.
Транспозоны
Транспозоны — подвижные генетические элементы, которые перемещаются с места на место внутри генома по не до конца изученным принципам. Транспозоны составляют до половины нашего генома, и у многих исследователей возникает логичный вопрос:
почему? Каково их значение?
На сегодняшний день накоплены данные, свидетельствующие о видообразующей роли транспозонов [14]. Считается, что именно транспозоны, эти активные, подвижные, часто мутирующие элементы ДНК, могут быть одной из причин генетического разнообразия среди разных видов. Между тем, в контексте отдельно взятой бренной человеческой жизни, роль транспозонов сводится к реализации программы онтогенеза, а еще к возникновению различных заболеваний. Связано это с тем, что под действием различных стимулов, в том числе стрессовых для клетки, транспозоны способны менять свое расположение в геноме. В ряде случаев это способно изменить структуру генов и характер их считывания, а следовательно, структуру и функцию кодируемого генами белка. К слову, именно транспозоны являются участками ДНК, которые претерпевают мутации наиболее часто.
Выделяют аж четыре класса транспозонов, но функционально активным считается только один класс — ретротранспозоны, а именно элементы с длинными вкраплениями (LINE1 — TE). Существование транспозонов является одним из опровержений догмы молекулярной биологии, поскольку механизм встраивания транспозона в различные участки генома включает в себя процессы обратной транскрипции (см. рис. 4).
Рисунок 4 | Механизм встраивания транспозона
В результате перемещения транспозонов по геному возможны изменения экспрессии определенных генов, что может вносить свой вклад в развитие различных заболеваний, главным образом опухолевых. Одним из примеров является мутантная вставка (транспозиция) L1 в гене аденоматозного полипа (adenomatous polyposis coli, АРС), что лежит в основе формирования тубулярных аденом толстой кишки и колоректального рака. В результате такой транспозиции выключается функция данного белка и наступает постоянная активация сигнального молекулярного пути, приводящего к пролиферации клетки и развитию новообразований (cм. рис. 5).
Рисунок 5 | Транспозоны. Выпадение функции белка АРС в результате транспозиции L1 с затрагиванием гена АРС приводит к конститутивной (постоянной) активности β- катенинового сигнального пути и развитию аденом и карцином толстой кишки. Белок АРС является ключевым компонентом мультибелкового комплекса, ингибирующего β- катенин путем запуска его протеасомной деградации.
Как уже было сказано, транспозоны имеют важное значение в онтогенезе, и их роль в развитии заболеваний является лишь обратной стороной медали нашего биологического разнообразия. В некоторых статьях раскрывается значение транспозонов в эволюции и онтогенезе нейронов [20]. Без транспозонов невозможна реаранжировка генома лимфоцитов, необходимая для обеспечения разнообразия синтеза антител и рецепторов к различным антигенам [1, 3, 6]. Когда-нибудь выйдет отдельный лонгрид на эту тему, но сейчас нам нужно двигаться дальше.
Повторы простых последовательностей (simple sequence repeats, SSR)
В геноме можно найти малопонятные по своему значению элементы, и одними из таких являются SSR. В структурном отношении это короткие последовательности пар нуклеотидов (приблизительно штук 10), которые повторяются миллионы раз. Они ничего не кодируют, но играют сателлитную (вспомогательную) роль, определяя ряд
очень важных функций в клетке. В частности, такие сателлитные последовательности локализованы в теломерах и в центромере хромосом, что позволяет реализовывать процессы, происходящие при делении клеток [3].
Говоря о структуре хромосом, нельзя пройти мимо центромер.
Рисунок 6 | Упрощенное изображение хромосомы