Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28411
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

61

 

 

 

 

Рис. 3.12.Удаление РНК-праймеров из отстающей цепи в ходе синтеза ДНК.

ДНК-полимераза α синтезирует олигорибонуклеотид, которым начинается каждый фрагмент Оказаки в отстающей нити ДНК. Когда следующий фрагмент Оказаки достигает праймера предыдущего фрагмента, ДНК-полимераза δ отделяется, а праймер предыдущего фрагмента удаляют эндонуклеаза и РНКаза. ДНК-полимераза β удлиняет последний фрагмент, заполняя «брешь». ДНК-лигаза сшивает предыдущий и вновь синтезированный фрагменты между собой

62

Биологическая химия

3.3. Репарация ошибок и повреждений ДНК

Несмотря на высокую точность репликации, в молекуле ДНК постоянно происходят повреждения, вызванные УФО, радиационным излучением, действием разнообразных веществ внешней и внутренней среды. Под влиянием этих физических и химических факторов в структуре ДНК происходит:

дезаминирование оснований (из цитозина образуется урацил);

депуринизация — гидролитическое отщепление пуриновых оснований;

образование пиримидиновых димеров;

разрыв нуклеотидных цепей;

появление ковалентных сшивок между цепями или между цепями и гистонами;

включение некомплементарного основания, вызванное ошибками репликации.

За сутки в каждой клетке происходят тысячи повреждений ДНК. Исправление нарушений в структуре макромолекулы осуществляют системы репарации ДНК, которые функционируют в ядре клеток постоянно вне зависимости от фаз клеточного цикла. Универсальная система репарации работает следующим образом (рис. 3.13):

Специфическая эндонуклеаза обнаруживает нарушение комплементарности и гидролитически расщепляет 3',5'-фосфодиэфирную связь в поврежденной нити ДНК.

Экзонуклеаза удаляет около 30 нуклеотидных остатков по обе стороны от места разрыва.

К 3'-концу образовавшейся «бреши» присоединятся ДНК-полимераза β и,используя дНТФ в качестве субстратов и доноров энергии, заполнят «брешь».

Одиночный разрыв между вновь синтезированной и основной нитями ДНК устраняет ДНК-лигаза, использующая АТФ в качестве источника энергии.

В ряде случаев в репарации участвуют и некоторые другие ферменты. Так, если произошло дезаминирование азотистых оснований (например, цитозин превратился в урацил), то некомплементарное основание может удалять фермент ДНКгликозилаза. Затем участок, лишенный азотистого основания (АП-сайт), обнаруживает АП-эндонуклеаза, гидролизующая апуринизированный или апи- римидинизированный сахарофосфатный остов, а далее работает универсальный механизм репарации. Иногда к дезоксирибозе, лишившейся поврежденного основания — АП-сайта, фермент ДНК-инсертаза присоединяет основание по принципу комплементарности, ликвидируя повреждение в структуре ДНК.

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

63

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.13. Репарация эукариотических ДНК.

Специфическая эндонуклеаза узнает место повреждения и расщепляет 3',5' -фосфодиэфирную связь недалеко от этого места. Экзонуклеаза удаляет участок ДНК, содержащий повреждение.

ДНК-полимераза β заполняет «брешь» в поврежденной нити ДНК ДНК-лигаза соединяет основной и новообразованный участки в нити ДНК

Под влиянием УФО возникают пиримидиновые димеры (чаще всего тиминовые димеры), за счет связывания двух соседних оснований (рис. 3.14). Это повреждение устраняет фермент фотолиаза. Она расщепляет связи между соседними основаниями и восстанавливает нативную структуру ДНК. Свет активирует фермент и таким образом ускоряет этот процесс.

На протяжении жизни человека ферменты репарации устраняют повреждения в структуре ДНК и сохраняют стабильность генетической информации клетки. Снижение активности этих ферментов сопровождается накоплением мутаций в ДНК и является причиной многих заболеваний и преждевременного старения организма.

64

Биологическая химия

O

 

 

H

O

 

 

N

 

 

O

 

 

 

H3C

 

O

 

H

O

Тиминовый

O

N

 

димер

 

 

 

H3C

 

O

O

Рис. 3.14. Тимин-тиминовые димеры в молекуле ДНК

3.4. Биосинтез РНК (транскрипция)

Синтез РНК на матрице ДНК называют транскрипцией. Процесс катализируют РНК-полимеразы, которые образуют полирибонуклеотиды в соответствии с принципом комплементарности к матричной нити ДНК, в которой информация о структуре гена записана в направлении от 3'- к 5'-концу. У эукариотов синтез РНК идет в ядре и митохондриях практически постоянно вне зависимости от фаз клеточного цикла. В ядре РНК синтезируются тремя ферментами: РНК-полимераза I катализирует образование рРНК, РНК-полимераза II — синтез мРНК, а РНК-полимераза III — образование тРНК. Транскрипция, как и репликация, — эндэргонический процесс, в котором используются НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ как субстраты синтеза и источники энергии. В основе процесса лежит принцип комплементарного спаривания оснований, когда против А встает U, против G — C, а против T — A. Суммарное уравнение синтеза РНК можно представить следующим образом:

матричная нить ДНК

a ГТФ + b АТФ + сУТФ +d ЦТФ ———————— РНК + (a + b + c + d) Н4Р2О7.

Мg2+, РНК-полимераза

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

65

 

 

 

 

Рис. 3.15. Транскрипция гена:

1 — присоединение в область промотора белка, который называется ТАТА-фактором; 2 — включение РНК-полимеразы в промоторный участок, при этом в зоне РНК-полимеразы происходит локальное расплетение двойной спирали ДНК; 3 — рост нити пре-мРНК; 4 — освобождение пре-РНК и РНК-полимеразы из комплекса с ДНК в сайте терминации

ускоряют факторы терминации

66

Биологическая химия

Поскольку РНК является одноцепочечной молекулой, то стехиометрические коэффициенты для всех НТФ различны.

Все РНК-полимеразы осуществляют рост новых цепей РНК в направлении от 5'-→3'-концу на антипараллельной матрице (рис. 3.15). Процесс транскрипции включает стадии инициации, элонгации и терминации. РНК-полимераза узнает место начала транскрипции — промотор, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов: –ТАТА.

На стадии инициации к –ТАТА-последовательности присоединяется белок ТАТА-фактор, который стимулирует связывание с ДНК РНК-полимеразы и факторов инициации транскрипции. Образующийся комплекс вызывает расплетение двойной нити ДНК длиной в один виток спирали (около 10 нуклеотидных пар).

На этапе элонгации происходит синтез РНК в соответствии с информацией, содержащейся в гене ДНК, при этом факторы инициации удаляются, а фактор элонгации присоединяется. По мере движения РНК-полимеразы по нити ДНК к освободившемуся промотору присоединяются новые молекулы фермента, поэтому один ген может одновременно транскрибироваться несколькими молекулами РНК-полимеразы.

Этап терминации начинается, когда РНК-полимераза достигает специфической последовательности нуклеотидов — сайта терминации, расположенного на конце гена. Фактор элонгации отделяется от РНК-полимеразы, а присоединяется фактор терминации, который облегчает отделение РНК-продукта и фермента от матрицы ДНК.

Посттранскрипционные модификации пре-РНК

Молекулы РНК, которые синтезируются РНК-полимеразами, функционально неактивны и являются молекулами-предшественниками, или пре-РНК. Они превращаются в зрелые молекулы только после соответствующих посттранскрипционных модификаций. Этот процесс получил название созревания

РНК.

Образование зрелых молекул мРНК начинается еще в момент синтеза РНКполимеразой II новой молекулы на стадии элонгации. К 5'-концу растущей нити РНК с отщеплением ортофосфата присоединяется 5'-концом молекула ГТФ. Затем основание — гуанин в составе ГТФ метилируется с образованием 7-метил-ГТФ. Эту необычную группу в составе мРНК называют «кэп» (колпачок или шапочка):

7метил-G (5’) ppp(5’) X…

Кэп защищает 5’-конец мРНК от действия нуклеаз и узнается рибосомами в ходе инициации трансляции.

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

67

После того как пре-мРНК освобождается из связи с РНК-полимеразой поли(А)-полимераза на 3’-конце молекулы синтезирует поли(А)-«хвост», состоящий примерно из 200 остатков АМФ и защищающий мРНК от расщепления РНКазами. Субстратом реакции является АТФ.

Эукариотические ДНК имеют «мозаичное» строение, т. е. содержат участки, кодирующие последовательность аминокислот в отдельных доменах молекулы белка, — экзоны, и участки, не содержащие информации о строении белка или РНК,^— интроны. В ходе транскрипции получаются пре-РНК, содержащие участки комплементарные как экзонам, так и интронам. При созревании мРНК интроны удаляются, а экзоны соединяются между собой с высокой точностью с помощью комплексов из малых ядерных рибонуклеопротеинов — сплайсосом. Этот процесс получил название сплайсинга (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Сплайсинг пре-мРНК.

В ядре интроны удаляются при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), которые образуют комплекс, или сплайсосому. Сплайсосомы гидролизуют 3',5'- фосфодиэфирные связи на границе интрон — экзон и связывают экзоны между собой. Ферментативной активностью обладают РНК в составе мяРНП

Одна и та же молекула пре-мРНК в различных тканях может подвергаться разным схемам сплайсинга (наряду с интронами вырезаются и некоторые экзоны или некоторые интроны сохраняются в зрелой молекуле. Иногда сохраняется интрон, содержащий стоп-кодон, в результате образуется мРНК, кодирующая более короткий белок, или используются в ходе транскрипции альтернативные промоторы (перед экзоном 1 или перед более поздним экзоном). Существование такого механизма получило название альтернативного сплайсинга. Оно ведет к получению родственных, но различающихся по первичной структуре молекул мРНК.

68

Биологическая химия

Посттранскрипционные модификации тРНК

У человека синтезируется около 20 семейств тРНК, молекулы которых содержат примерно 100 нуклеотидов. Представители каждого семейства способны связываться только с одной из 20 аминокислот, входящих в состав белков.

В ядре при формировании пространственной конформации зрелых молекул (рис. 3.17) пре-тРНК укорачиваются с 5'- и 3'-концов и вырезается один интрон из центральной части полинуклеотидной цепи с помощью специфических РНКаз.

10–15 % азотистых оснований модифицируется: урацил метилируется и образует тимин; двойная связь между С4 и С5 атомами урацила восстанавливается, давая дигидроурацил, остаток урацила, присоединенный к рибозе N-гликозидной связью, подвергается ротации и его связь с рибозой становится углерод-углеродной, возникает соединение, называемое псевдоуридин.

Рис. 3.17. Созревание пре-тРНК

Первоначально в ядре: 1 — удаляются участки полинуклеотидной цепи на 5'- и 3'-концах молекулы пре-тРНК, интрон в центральной области; 2 — модифицируются азотистые основания (♦) и к 3'-концу присоединяется триплет ССА; 3 — зрелые тРНК выходят из ядра в

цитоплазму

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

69

к 3'-концу всех тРНК с помощью нуклеотидилтрансферазы последовательно присоединяется триплет нуклеотидов ССА, который необходим для связывания аминокислот.

Зрелые молекулы тРНК выходят из ядра в цитоплазму.

Посттранскрипционные модификации пре-рРНК

Пре-рРНК освобождаются из комплекса с ДНК в виде крупного транскрипта с константой седиментации 45 S. 1–2 % нуклеотидов этой молекулы метилируется по 2'-гидроксильной группе рибозы. Метильные группы служат маркерами для последующего расщепления пре-рРНК на более мелкие молекулы, включающиеся в субъединицы рибосом. Так, 18 S рРНК формирует малую 40 S субъединицу рибосомы, а молекулы с КС 28 S и 5,8 S включаются в большую субъединицу рибосомы. Самая короткая 5 S рРНК кодируется отдельным геном, транскрибируется РНК-полимеразой III (ответственной за синтез тРНК) и затем поступает в 60 S рибонуклеопротеиновую частицу.

Субъединицы рибосомы и все зрелые мРНК и тРНК поступают в цитоплазму клетки и используются в синтезе белков.

3.5. Трансляция (биосинтез белка)

Трансляция (биосинтез белка) –процесс, в ходе которого информация о структуре белка, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в молекуле зрелой мРНК, «переводится на язык аминокислот» при участии тРНК и рибосом. В результате образуется молекула белка со строго определенной первичной структурой.

мРНК построена из четырех нуклеотидов, а в состав белков входит 20 аминокислот. Из этого следует, что должен существовать способ шифрования аминокислот в последовательности нескольких нуклеотидов. Способ шифрования, согласно которому в мРНК закодирована последовательность аминокислот в белке, получил название генетического (биологического или аминокислотного) кода (рис. 3.18).

Код характеризуется следующими свойствами:

триплетен: каждая аминокислота шифруется в молекуле ДНК или мРНК тремя нуклеотидами — кодонами. Кодирующие элементы не могут состоять из двух нуклеотидов, так как их количество (42 = 16) будет недостаточно для шифрования всех аминокислот. Из 4-х нуклеотидов, входящих в мРНК, можно составить 64 триплета (43 = 64). Из них имеет смысл, т.е. кодирует включение в белок определенной аминокислоты 61 триплет. Три остальных триплета — UАА, UАG, UGА — сигнализируют о завершении аминокислотной последовательности белка и выполняют функцию точки в записи информации. Их называют терминирующими, или стоп-кодонами;

70

Биологическая химия

однонаправлен: кодоны расположены линейно, не перекрываются и читаются в направлении от 5′-к 3′-концу;

специфичен: каждый кодон шифрует только одну определенную аминокислоту;

вырожден: большинство аминокислот зашифровано в молекулах ДНК и мРНК больше, чем одним кодоном. Исключение у человека составляют две аминокислоты: Мет и Три, каждая из которых шифруется одним кодоном, а всем остальным аминокислотам соответствуют от двух до шести кодонов ( рис. 3.18).Шестью кодонами шифруются Лей, Сер, Арг;

универсален: смысл кодонов един почти для всех организмов на Земле. Исключения редки. Основное отклонение обнаружено в митохондриальной мРНК, у которой четыре кодона имеют другой смысл;

колинеарен: последовательность кодонов в зрелой мРНК соответствует последовательности аминокислот в белке, который синтезируется на этой

матрице.

Декодирование информации о структуре белка, записанной в виде последовательности кодонов мРНК, возможно благодаря тРНК, выполняющим функции адапторов («приспособителей» аминокислот к кодонам мРНК). Выполнению этой функции соответствует пространственная структура тРНК. В центре полинуклеотидной цепи этих молекул имеется антикодоновая петля, в которой находится триплет нуклеотидов — антикодон, способный связываться с кодоном мРНК по принципу комплементарности и антипараллельности. На 3′-конце молекулы все тРНК имеют акцепторный триплет –ССА, к которому аминокислоты присоединяются α-СООН-группой.

Для 20 аминокислот, участвующих в синтезе белков, количество тРНК оказалось больше 20, каждой аминокислоте соответствует своя тРНК: для аланина – тРНК Ала, глутамата — тРНКГлу и т.д. тРНК, отличающиеся по строению антикодона, но связывающиеся с одной и той же аминокислотой, называют

изоакцепторными тРНК.

Поскольку 61 смысловой кодон содержит информацию о включении аминокислот в белок, то, казалось бы, должно существовать 61 тРНК для связывания с кодонами. Однако оказалось, что число тРНК меньше 61. Первые два

основания в кодоне и два последних основания в антикодоне, связываясь друг

_

с другом, образуют обычные комплементарные А = U и G = C пары, а связывание третьего основания кодона с первым основанием антикодона происходит слабее. Эти основания обладают определенной степенью свободы и как бы «качаются» относительно друг друга. Эта особенность кодон — антикодоновых взаимодействий между мРНК и тРНК получила название «гипотезы качания» и позволяет антикодону одной и той же тРНК «прочитывать» несколько кодонов мРНК.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература