2.1.2. Строение и функции рнк

РНК — рибонуклеиновая кислота, имеет мно­го общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

• углеводом РНК, к которому присоединяют­ся пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;

• в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молеку­ле РНК занимает урацил;

• РНК — одноцепочечная молекула;

• так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, мо­жет не выполняться по равенству содержания ос­нований.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутству­ющие в клетках как про- так и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

Матричные РНК (информационная РНК, мессенджер-РНК) выполняют функцию матриц бел­кового синтеза (см. «Транскрипция»). В ядре кле­ток эукариот содержится РНК четвертого типа ге­терогенная ядерная РНК(гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК. Процесс транскрипции осуществляется в ядре на ДНК, гяРНК после созревания будет слу­жить матрицей для синтеза белка в цитоплазме.

Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соот­ветствующий триплет (кодон в мРНК) и перено­сят нужную аминокислоту к растущей полипептид­ной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществля­ется с помощью трех последовательных основа­ний в тРНК, называемых антикодонами. Аминокис­лотный остаток может присоединятся к 3' — кон­цу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Структура тРНК представлена на рис. 2.3. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Иногда эту структуру называют «клевер­ным листом», конфигурация которого возникает благодаря нескольким внутрицепочечным компле­ментарным участкам. Молекулы всех видов тРНК имеют 4 основных плеча. Акцепторное плечо за­канчивается последовательностью ЦЦА (5—3'). Че­рез 3' происходит связывание с карбоксильной группой аминокислоты. Остальные плечи тоже состоят из стеблей, образованных комплементар­ными парами оснований и петель из неспарен-ных оснований. Антикодоновое плечо узнает нук-леотидный триплет (кодон).

Рибосома состоит из большой и малой субъеди­ниц. Для эукариот рибосома состоит из большой субъединицы с молекулярной массой 2,8 х10~⁶ (60S) и малой, имеющей молекулярную массу 1,4x10"⁶ (40S), где S (Сведберг)— единица измерения коэффициента седиментации (мера массы макромоле­кулы). Эти субчастицы могут диссоциировать на белок и рРНК. Весовое соотношение рРНК: бе­лок для эукариот составляет 1:1. Все субчастицы рибосом состоят из рРНК, которые синтезируют-ся в структуре ядрышек. В цитоплазме рибосомы упаковываются с рибосомными белками, приоб­ретая достаточную устойчивость, и способны осу­ществлять большое число циклов трансляции.

Рис. 2.3. Строение тРНК.

В 1970-х годах Сидней Альтман и Томас Чек сделали открытие, противоречащее традиционным представлениям. Они показали, что РНК не толь­ко является переносчиком информации с ДНК, но и выступает в роли катализатора в ряде кле­точных процессов. Каталитическая способность РНК позволила использовать эту молекулу для различных биотехнологических целей, в частнос­ти для борьбы с вирусными инфекциями.

2.2. Генетический код

До расшифровки генетического кода невозмож­но было понять, каким образом кодируется наслед­ственная информация. Расшифровка генетическо­го кода позволила понять механизм синтеза белка и связать между собой дефекты определенных бел­ков человека и наследственные заболевания, а так­же создала необходимые предпосылки для диаг­ностики и лечения таких заболеваний.

Генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеи­новых кислот в виде последовательности нуклеоти-дов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклео-тидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г.Гамовым. Основные свойства кода триплетность и вырожденность вы­явили в 1961 г. Ф.Крик и С.Бреннер.

Поскольку в белках встречается 20. различных аминокислот, то каждая не может кодироваться одним нуклеотидом (в ДНК всего 4 типа нуклеоти-дов), т.к. 16 останутся незакодированными. Не мо­гут «слова» генетического кода состоять и из 2 «букв», т.к. будут закодированы всего 16 аминокислот. Зна­чит, наименьшая возможная длина «слова», опре­деляющая аминокислоту, — 3 нуклеотида. Число • возможных триплетов нуклеотидов равно 64.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Система, содержа­щая искусственную мРНК, состоящую только из урациловых нуклеотидов, синтезировала полипеп­тидную цепь, состоящую только из фенилаланина (в ДНК кодом для нее должен быть комплементарный триплет нуклеотидов — AAA). Это сдела­ли двое ученых М.Ниренберг и Г.Маттеи. К 1965 г. был расшифрован полностью весь генетический код (рис. 2.4). Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами.

В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода — секвенирования.

Рис. 2.4. Генетический код.

Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) — последовательность трех нуклеотидов, ко­дирующая одну аминокислоту.

Шутливая ода-четверостишие, посвященная генетическому коду, написана генетиками. Каждое слово состоит из трех букв, как триплет, кодирую­щий одну аминокислоту, из трех нуклеотидов:

Наш код так мал,

Так лих наш код.

Был дым, был — пал,

Нет, жив наш род!

2. Вырожденность генетического кода обуслов­лена тем, что одна аминокислота может кодиро­ваться несколькими триплетами (вспомним, что аминокислот 20, а триплетов — 64), исключение составляют метионин и триптофан, которые коди­руются только одним триплетом. Три триплета УАА, УАГ, УГА — это стоп-сигналы (терминиру­ющие кодоны), прекращающие синтез полипеп­тидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует амино­кислоту, если стоит в начале цепи ДНК..

3. Однозначность — каждому данному кодону соответствует одна и только одна определен­ная аминокислота. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие двух важнейших свойств — вырожденности и однозначности, одновремен­но присущих генетическому коду.

4. Генетический код не перекрываем — про­цесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков вплоть до нонсенскодонов. Таким образом, генетический код не содержит зна­ков пунктуации.

5. Генетический код универсален, т.е. вся ин­формация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.

При считывании информации положение пер­вого основания кодона (триплета) определяет рам­ка считывания. Число возможных рамок считы­вания равно трем, поскольку генетический код триплетен (рис. 2.5). Обычно функциональный бе­лок синтезируется по одной рамке считывания.

Рис. 2.5. Изменения в белке, происходящие при сдвиге рамки считывания. Нуклеотидную последовательность мож­но прочесть по одной из трех рамок считывания, причем каждый раз будет получаться новый белок.

Иногда могут происходить изменения рамки считывания, связанные с выпадением или добав­лением одного или нескольких нуклеотидов. При последующей сборке белка в нем будет нарушена последовательность аминокислот. Это называет­ся мутацией со сдвигом рамки.