Генная инженерия. Вторичная структура РНК, биосинтез

25 Декабря в 9:29 1914 0


Вторичная структура РНК

Молекулы РНК, в отличие от ДНК, построены из одной полинуклеотидной цепи. Однако в этой цепи имеются комплементарные друг другу участки, которые могут взаимодействовать, образуя двойные спирали. При этом соединяются нуклеотидные пары A. U, G. C. Такие спирализованные участки (их называют шпильками) обычно содержат небольшое число нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками (рис. 3.2):

Вторичная структура РНК
Рис. 3.2. Вторичная структура РНК

По особенностям структуры и функций различают три основных типа РНК: рибосомные РНК (р-РНК), транспортные РНК (т-РНК) и матричные РНК (м-РНК). Матричные РНК составляют около 2 % от всей РНК клетки. Матричные РНК называют также информационными РНК (и-РНК). Количество и-РНК соответствует количеству разных белков в клетке.

Биосинтез нуклеиновых кислот и белков (матричные биосинтезы)

Первичную структуру важнейших биополимеров - белков и нуклеиновых кислот - можно сравнить с буквенной записью: и в том, и в другом случае имеется не произвольное, а строго определенное, «имеющее смысл» чередование элементов - мономеров или букв. На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами.

Чтобы получить такие молекулы, недостаточно смешать мономеры и обеспечить условия образования пептидной или фосфодиэфирной связи, необходима еще программа, определяющая последовательность присоединения разных мономеров к растущей цепи полимера. При биосинтезе новых молекул нуклеиновых кислот и белков носителями такой программы являются нуклеиновые кислоты; в этой роли их называют матрицами. Матрица в ходе матричного синтеза не расходуется и может использоваться многократно; в этом отношении она сходна с катализатором.

Различают три основных типа матричных биосинтезов:
1) биосинтез ДНК (репликация ДНК) с использованием в качестве матрицы уже существующих молекул ДНК;
2) биосинтез РНК на матрице ДНК (транскрипция);
3) биосинтез белков с использованием в качестве матрицы РНК (трансляция).

Репликация ДНК

Структура двойной спирали ДНК позволяет представить простой механизм репликации: две цепи ДНК, образующие спираль, сначала раскручиваются за счет разрыва водородных связей между комплементарными основаниями, цепи расходятся, а затем каждая одноцепочечная половина молекулы ДНК достраивается до целой двухцепочечной молекулы.

При этом каждая цепь служит матрицей, к которой путем спаривания оснований подстраивается комплементарная цепочка. При этом свободные нуклеотиды поступают из клеточных органелл (рибосом), фермент ДНК-полимераза связывает их в фосфатно-пептидный остов, а азотистые основания этих нуклеотидов комплементарно связываются с матричными азотистыми основаниями:
свободные нуклеотиды поступают из клеточных органелл (рибосом)
Таким образом, из каждой исходной молекулы ДНК получаются две копии с идентичной структурой, т. е. образование пар оснований составляет химическую основу считывания биологической информации, закодированной в нуклеотидной последовательности.

ДНК является носителем генетической информации. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов, кодирующих синтез определенного белка. При делении «копии» ДНК расходятся по двум дочерним клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь одну и ту же информацию, которая находится в «материнской» клетке, а значит и одинаковые наборы генов.

Но непосредственного участия в синтезе белков ДНК не принимает. Она содержится в хромосомах ядра и отделена ядерной мембраной. К рибосомам посылается несущий информацию посредник - информационная РНК. Как это происходит? Для этого служат два других типа матричных биосинтезов -транскрипция и трансляция.

Биосинтез РНК (транскрипция)

Синтез и-РНК происходит в присутствии ДНК, выполняющей роль матрицы (матрицей служит одна из цепей ДНК).

Синтез РНК происходит в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Все синтезированные молекулы и-РНК имеют структуру, комплементарную матрице (т. е. одной из цепей ДНК). Транскрипция катализируется ферментом РНК-полимеразой. Фермент присоединяется к матрице не в любом ее месте, а в специальных участках, называемых промоторами: в этих местах молекулы ДНК есть последовательности нуклеотидов, узнаваемые РНК-полимеразой.



Связывание РНК-полимеразы с промотором приводит к локальному расхождению нуклеотидных цепей в этом участке; одна из цепей служит матрицей. Наращивание молекулы РНК происходит в результате перемещения РНК-полимеразы вдоль ДНК путем присоединения очередного рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибонуклеотиду ДНК, который в данный момент находится в области активного центра РНК-полимеразы.

В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется последовательность нуклеотидов (терминирующий кодон), достигнув которого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК. Таким образом получаются отдельные молекулы РНК, каждая из которой содержит информацию одного гена или группы генов (называемой опероном), несущих информацию о структуре белка, необходимого для выполнения одной функции.

Биосинтез белка (трансляция)

Биосинтез белков отличается от других типов матричных синтезов двумя принципиальными особенностями:
1) нет соответствия между числом мономеров в матрице и продукте реакции (в и-РНК 4 разных нуклеотида, а в белке 20 разных аминокислот);

2) структура рибонуклеотидов (мономеров матрицы) и аминокислот (мономеров продукта) такова, что избирательные взаимодействия между ними, подобные образованию пар A-T, C-G, невозможны, иначе говоря, между и-РНК (матрицей) и пептидной цепью белка (продуктом) нет комплементарности.

Из этого следует, что механизм использования матрицы при синтезе белков должен быть иным, чем в случае синтеза ДНК и РНК. Если репликацию и транскрипцию можно сравнить просто с переписыванием текста, то трансляция - это дешифровка, декодирование информации об аминокислотной последовательности, закодированной с помощью нуклеотидной последовательности. Способ шифровки в нуклеиновых кислотах информации о первичной структуре белков получил название биологического кода (его называют также генетическим, нуклеотидным, аминокислотным кодом).

Биологический код - система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в и-РНК.

Один из первых вопросов, который возникает при выяснении структуры биологического кода, - это вопрос о кодовом числе, т. е. о числе нуклеотидных остатков, кодирующих включение в белок одной аминокислоты. Очевидно, что кодовое число не может быть равным единице, так как в этом случае с помощью четырех нуклеотидов можно было закодировать только четыре аминокислоты.

При кодовом числе 2 количество разных нуклеотидных пар будет равно числу перестановки из четырех элементов по 2, т. е. равно 4 =16, что также недостаточно для кодирования всех аминокислот. Число разных троек нуклеотидов равно 4 =64. Это в три с лишним раза превышает минимальное число, необходимое для кодирования 20-ти аминокислот. Экспериментально доказано, что в биологическом коде кодовое число равно трем: тройку нуклеотидных остатков (триплет), кодирующих включение одной аминокислоты, называют кодоном.

Из 64 триплетов 61 используется для кодирования аминокислот, а три - UAA, UAG и UGA - обозначают конец матрицы: на этих триплетах обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи - терминирующие триплеты. Каждый триплет кодирует только какую-нибудь одну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью, или однозначностью.

С другой стороны, одна аминокислота может кодироваться двумя или большим числом (до шести) разных триплетов, т. е. код вырожден.

Путь информации от ДНК к белку представляется следующим образом:
Путь информации от ДНК к белку представляется следующим образом
К настоящему времени биологический код изучен у большого количества разных организмов - от вирусов и бактерий до высших животных. Во всех случаях он оказался одинаковым. Эта универсальность кода лишний раз свидетельствует о единстве происхождения всех форм жизни на Земле.

Ошибка в биологическом коде приводит к различным болезням. Например, у здоровых людей в гене, несущем информацию о в-цепи гемоглобина, триплет GAA или GAG, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных гемофилией второй нуклеотид в этом триплете заменен на U, а GUA или GUG кодирует аминокислоту валин.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы