3.4. Структура хромосом.

Хроматин прокариотических организмов состоит только из ДНК. Гораздо сложнее устроено хранилище наследственной информации у эукариотических клеток. Тщательное изучение хромосом эукариот показало, что они состоят из ДНК и белка. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей ее длине, а присоединенные к ней белки-гистоны заряжены положительно. Толщина одной двойной спирали ДНК равна 2 нм, тогда как самые тонкие хромосомы, видимые в световой микроскоп, имеют толщину от 100 до 200 нм.

Степень компактизации ДНК в хромосомах весьма велика (около 5000 раз). О чем могут свидетельствовать следующие цифры:

Организм	Длина тела	Длина молекулы ДНК
Кишечная палочка	2 мкм	1 мм
Муха дрозофила	15 мм	1,5 мм
Эукариоты	10 мкм (диаметр ядра)	около 2 м (суммарная длина всех молекул)

Выделяют несколько уровней упаковки ДНК в хромосомах. (1) Спираль ДНК соединяясь с группой гистонов, образует нуклеосому. (2) Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК образуют нуклеосомную нить. (3) Нить свернута по спирали в нуклеосомную фибриллу толщиной 30 нм, на каждый виток которой приходится примерно 6 нуклеосом. (4) Фибрилла свернута петлями, формирующими продольную структуру толщиной около 300 нм (рис. ).

3.5. Репликация днк

Одна из самых привлекательных особенностей гипотезы Уотсона-Крика состоит в том, что она одновременно подсказывает, каким образом могла бы происходить репликация ДНК.

В 1956 г. Корнберг продемонстрировал in vitro синтез молекулы ДНК, используя в качестве матрицы одиночную цепь ДНК. Он выделил из кишечной палочки (Escherichia coli) и очистил фермент, который способен связывать друг с другом свободные нуклеотиды в присутствии АТФ как источника энергии с образованием комплементарной цепи ДНК. Он назвал этот фермент ДНК-полимераза. Позднее в 1967 г. он показал, что ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Поскольку две цепи ДНК антипараллельны, ДНК-полимераза может непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула синтезируется отдельными короткими участками под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи связываются воедино другим ферментом - ДНК-лигазой. Схематично этот процесс показан на рис. 3.6. Такой способ репликации известен под названием полуконсервативной репликации, так как при этом каждая новая двойная спираль сохраняет одну цепь исходной двойной спирали ДНК.

3.6. Генетический код.

После того как было установлено, что ДНК кодирует синтез белковых молекул, стало ясно, что последовательность оснований ДНК должны определять аминокислотную последовательность белков. Эту зависимость между основаниями и аминокислотами назвали генетическим кодом. Осталось показать, что код существует, расшифровать его и выяснить, каким образом он переводится в аминокислотную последовательность белков.

Для начала произведем элементарные математические расчеты. Как известно молекулы ДНК построена из нуклеотидов 4 типов. Если предположить, что одно основание определяет одну аминокислоту в первичной структуре белка, то этот белок должен содержать только 4 вида аминокислот. Аналогичным образом, в случае если пара оснований кодирует одну аминокислоту белок может состоять из 16 аминокислот, что опять таки меньше известного нам количества белковых аминокислот. Только код состоящий из троек (или триплетов) оснований, мог бы обеспечить включение в белковые молекулы всех 20 аминокислот, так как возможных вариантов триплетов - 64. Доказательства в пользу триплетного кода представил Фрэнсис Крик в 1961 г., получив у бактериофага T4 мутации, вызванные добавлением или выпадением оснований.

Расшифровкой самого кода занимался Ниренберг, который используя матричную РНК с известной последовательностью оснований, выяснял последовательность аминокислот в белке синтезированном на этой мРНК. Начали работать в г. с полиуридиновой кислоты (-YYY-) и к 1964 г. расшифровали код для всех 20 аминокислот.

Главные черты генетического кода:

(1) кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь служит триплет оснований в молекуле ДНК,

(2) код универсален - одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у все организмов (исключение - архебактерии),

(3) код является вырожденным - данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом,

(4) код неперекрывающийся – триплет кодирует только одну аминокислоту. Кроме того, три кодона не кодируют аминокислоты и служат как стоп-сигналы - концевые точки фукциональной единицы генома.

Список литературы.

Вилли К., Детье В. Биология (Биологические процессы и законы). - М.: Мир, 1974. - 822 с.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1988. - 672 с.

Основы общей биологии. - М.: Мир, 1982. - 440 с.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - М.: Мир, 1981. - 646 с.

Уотсон Д. Молекулярная биология гена. - М.: Мир, 1978. - 720 с.

Общая биология

Лекция 4.

4.1. Синтез белка.

Общая схема синтеза белка показана на рис. 4.1. Как видно из этой схемы в данном процессе весьма высока роль РНК. Как известно они относятся к трем основным типам.

1. Матричная РНК (в клетке она составляет 3-5% от общего количества нуклеиновых кислот) - одноцепочечная, образуется на ДНК с участием РНК-полимеразы. Самая короткая молекула мРНК состоит приблизительно из 300 нуклеотидов. Большинство мРНК существует очень короткий промежуток времени: в бактериальной клетке это время измеряется минутами, а в эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина продолжается в течении нескольких дней после утраты ими ядра. Столь небольшой промежуток существования молекулы мРНК, обеспечивает клетке быстрое переключение синтеза белков в случае изменения внутренней среды или внешних условий.

2. Рибосомальная РНК, составляющая более 80% всех нуклеиновых кислот, содержащихся в клетке, кодируется особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах и расположенных в участке ядрышка, известного под названием ядрышкового организатора. Последовательность оснований рРНК сходна у всех организмов - от бактерий до высших эукариот. Рибосомальная РНК является основной составной частью клеточных органелл - рибосом, на которых непосредственно идет синтез белка.

3. Транспортные РНК (около 15% клеточных нуклеиновых кислот) имеют самую короткую полинуклеотидную цепь - в нее входит в среднем 80 нуклеотидов. В силу того, что генетический код является вырожденным число различных тРНК переносящих аминокислоты значительно больше 20 (сейчас известно 60). На 5'-конце молекулы тРНК всегда находится гуанин, а на 3'-конце - триплет ЦЦА (рис. 4.2). тРНК имеют характерную вторичную структуру, носящую название "форма кленового листа", с четырьмя лепестками (ветвями), в каждой из которых находится около 20 нуклеотидов. Такое постоянство формы связано с тем, что РНК состоящие из 20 или более оснований самопроизвольно складываются в параллельные ряды. Встречающиеся в некоторых случаях дополнительные основания могут складываться в короткую пятую ветвь.

Последовательность оснований в триплете антикодона строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии специфического фермента аминоацил-тРНК-синтетаза. В результате образуется комплекс - аминоацил-тРНК в котором энергии связи между концевым нуклеотидом (аденин) и аминокислотой достаточно для образования пептидной связи в будущем белке.

Трансляция (перевод) – механизм передачи генетическая информация, которая в виде линейной последовательности оснований зашифрована в нуклеиновых кислотах, в структуру белка. Трансляция происходит с очень высокой степенью точности. Для чего требуется большое количество контрольных механизмов и чрезвычайно высокий расход энергии. Особенно много энергии расходуют на синтез белка быстро растущие клетки. Например, белоксинтезирующий аппарат кишечной палочки составляет около 25% клеточной массы, а на синтез белка расходуется 88% энергии.

Как начинается трансляция? Этот процесс весьма сложен у эукариот. В случае прокариотических организмов трансляцию принято разделять на четыре фазы (рис. 4.3):

1. Активация аминокислот,

2. Инициация синтеза полипептидной цепи,

3. Удлинение (элонгация) образующейся цепи,

4. Терминация.

Активация аминокислот. Аминокислоты связываются с 3'-концом (ЦЦА-конец) специфической тРНК. Эта реакция нуждается в присутствии АТФ, ионов Mg²⁺ и специфической аминоацил-тРНК-синтетаза. Синтетазы очень сильно отличаются друг от друга, что свидетельствует о их различном происхождении. Каждый из этих ферментов должен специфически узнавать аминокислоту, тРНК и связывать АТФ. Ошибки возникают на этом этапе с частотой 10^-4.

Для инициация синтеза полипептидной цепи требуются АТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, мРНК, тРНК, факторы инициации. Процесс начинается с того, что к малой субъединице рибосомы присоединяется молекула особой тРНК (с антикодоном УАЦ). После этого может быть связана мРНК. Однако не всякая мРНК узнается рибосомами. Вероятно для запуска она должна содержать специфические сигналы узнавания. После присоединения к комплексу 30S-частица-тРНК-мРНК двух кофакторов и большой субъединицы рибосомы образуется инициаторный комплекс.

Элонгация образующейся цепи. Для осуществления этого процесса необходимы инициаторный комплекс, нагруженные аминокислотами тРНК, факторы элонгации, АТФ. После того как первая тРНК со своей аминокислотой присоединится к комплексу мРНК-рибосома, рядом с ней присоединяется следующая тРНК. Затем фермент связывает между собой две аминокислоты, первая тРНК (метиониновая) отсоединяется от рибосомы, а цепочка мРНК протягивается через рибосому на один триплет. Все эти процессы многократно повторяются до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона мРНК. К одной молекуле мРНК присоединяется обычно много рибосом, которые движутся вдоль нее, транслируя при этом содержащуюся в ней информацию о строении молекулы белка.

Сигналом терминации служит любой из трех кодонов: УАА, УАГ или УГА. Обычно не бывает тРНК с соответствующими антикодонами. После того как отделится последняя тРНК, освобождается также и мРНК, а рибосомы распадаются на свои субчастицы. Скорость роста пептида довольно сильно различается в разных группах организмов. Например при 37^oC синтез одной альфа-цепи гемоглобина длится 180 сек, то есть удлинение цепи на 1 аминокислотный остаток продолжается немногим больше 1 сек. Биосинтез полипептидов у бактерий, например у кишечной палочки, протекает значительно быстрее, так как цепь за 1 сек удлиняется более чем на 20 аминокислотных остатков.

Такое изложение процесса биосинтеза может показаться сложным. В действительности же я представил только самую общую схему процесса в каждой из фаз которого, если рассмотривать его более детально, будут обнаруживаться все новые и новые детали и агенты, отвечающие за правильность присоединения главных молекул и их правильное взаимодействие.

Какой же минимальной сложностью должна обладать эта система для старта эволюционного развития механизмов транскрипции и трансляции?

При выведении минимально возможной сложности механизма, послужившего началом для развития современных систем транскрипции и трансляции, по-видимому, необходимо исходить из следующих положений:

- для синтеза простейших белковых молекул (5-6 аминокислот) генетический материал должен содержать не менее 15 нуклеотидов,

- транскрипция возможна и при отсутствии сложной системы ферментов в силу саморепликации нуклеотидов, образующих наиболее устойчивые пары или в присутствии примитивных белковых ферментов (коферментов), имеющих небольшую протяженность, соответствующую размерам активных центров современных больших молекул,

- полимерные нуклеиновые кислоты, способные выполнять функцию тРНК, могут быть небольших размеров,

- рибосомы, как центры трансляции, должны возникнуть до образования эукариотических организмов (и возможно даже до образования каких либо организмов),

- возникновение механизмов трансляции и транскрипции возможно в первичном бульоне и уже вторично компоненты, составляющие их, могли связаться с коацерватами в силу адсорбции.