Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


IV.3. СОХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ ОТ ПОКОЛЕНИЯ К ПОКОЛЕНИЮ



 

При размножении зигота, образовавшаяся в результате слия­ния гамет, дает начало миллионам и миллиардам клеток тела. Каж­дая исходная молекула ДНК дает начало двум новым молекулам ДНК, с сохранением в неизменном виде всех особенностей ис­ходной молекулы. Процесс удвоения ДНК, происходящий во вре­мя синтетической (S) стадии интерфазы, носит название репли­кации.Во время репликации информация, закодированная в пос­ледовательности нуклеиновых оснований молекулы родительской

ДНК, передается с максимальной точностью дочерним ДНК. Вкрат­церассмотрим схему репликации.

В 1956 г. А.Корнберг выделил фермент, который был способен связывать свободные нуклеотиды друг с другом, и дал ему назва­ние ДНК-полимераза.Впоследующие годы были обнаружены идругие виды полимераз, также способных удлинять цепи ДНК в направлении 5'→3', последовательно прибавляя по одному нуклеотиду к З'-ОН-концу цепи. ДНК-полимераза может строить лишь одну цепь молекулы ДНК. Обнаружение ДНК-полимеразы стало первым практическим шагом анализа биохимических механизмов репликации.

Способ репликации, характерный для всех эукариот, и том числе и человека, известен под названием полуконсервативной реплика­ции(рис. IV.10). Вначале процесса репликации особый фермент — хеликаза (от греч. helix — спираль) — расплетает родительскую ДНК на две нити, каждая из которых служит матрицей, определяющей последовательность новой, комплементарной цепи ДНК. При полу­консервативной репликации дочерние клетки первого поколения получают только одну из нитей ДНК родительской клетки. Вторая нить синтезируется заново, при этом она комплементарна роди­тельской цепи. Процесс повторяется при образовании дочерних кле­ток второго поколения. Таким образом, только две из четырех до­черних клеток второго поколения содержат по одной цепи исход­ной родительской ДНК.

 

Рис. IV. 10. Схема полуконсервативной репликации ДНК

 

Поскольку ДНК-полимераза катализирует репликацию только в одном направлении (5'→3'), непрерывно достраивается только одна новая цепь молекулы ДНК (смысловая). Вторая цепь (антисмысло­вая) синтезируется другой ДНК-полимеразой, движущейся в об­ратном направлении, в виде коротких участков ДНК. Затем эти фрагменты ДНК связываются в единую цепь ферментом ДНК-лигазой.

Таким образом, репликация ДНК обеспечивает высочайшую точность воспроизведения генетической информации, заключен­ной в последовательности оснований ДНК и тем самым реализует основные функции ДНК — сохранение генетической информа­ции и точное ее воспроизведение в ряду поколений.

Сразу после открытия структуры двойной спирали ДНК стало очевидно, что сама молекула ДНК не может служить матрицей для синтеза белка. Этот вывод логично вытекал из того, что почти вся ДНКнаходится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Та­ким образом, генетическая информация, зашифрованная в струк­туре ДНК, должна передаваться иной молекуле, способной транс­портироваться в цитоплазму и участвовать в синтезе белка. Такой молекулой оказалась мРНК, а процесс образования мРНК полу­чил название транскрипции.

Транскрипция— это процесс переноса генетической информа­ции от ДНК к РНК. Все виды РНК (мРНК, тРНК, рРНК и гяРНК) синтезируются в соответствии с последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, служащей для них матрицей. Процесс транс­крипции осуществляется при участии трех ДНК-зависимых РНК-полимераз. Полимераза I находится в ядрышках, где катализирует синтез рРНК. Полимеразы II и IIIнаходятся в кариоплазме, где полимераза И контролирует синтез первичного транскрипта мРНК, а полимераза IIIучаствует в синтезе тРНК.

Процесс транскрипции осуществляется следующим образом. РНК-полимераза, прикрепляясь к началу участка ДНК, расплета­ет двойную спираль. Перемещаясь вдоль одной из нитей, она пос­ледовательно выстраивает комплементарную нить РНК. По мере передвижения РНК-полимеразы растущая нить РНК отходит от матрицы ДНК, и двойная спираль ДНК позади фермента восста­навливается. Когда РНК-полимераза достигает специфического участка ДНК, называемого терминационным, рост цепи РНК пре­кращается, и происходит отделение ее от ДНК. Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соот­ветствующего участка ДНК.

Процесс транскрипции, как и репликации, осуществляется при строгом соблюдении правила комплементарности с одним изме­нением: напротив аденина молекулы ДНК при транскрипции в молекулу РНК встраивается урацил (рис. IV. 11).

 

Рис. IV.11. Реализация правила комплементарности при матричном синтезе РНК



 

После того как заканчивается транскрипция, все виды РНК претерпевают определенные изменения, в результате которых они приобретают возможность выполнять специфические для каждойиз них функции. Подобное созревание РНК носит название про­цессинга.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК).На долю мРНК приходится примерно 3 — 5% всей содержащейся в клетке РНК. Молекулы мРНК образуются из больших молекул-предшествен­ников — гяРНК. Изменения гяРНК связаны с модификацией по 5'- и З'-концам и сплайсингом. Изменение 5'-конца приводит к об­разованию специфической последовательности, называемой кэп-структурой. Изменение З'-конца заключается в присоединении к нему 120—150 остатков аденина (poly А). Сплайсинг— это процесс удаления участков молекулы РНК, соответствующих интронным последовательностям ДНК.

Зрелая мРНК выходит в цитоплазму и становится матрицей для синтеза белка, т.е. переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам.

Рибосомальная РНК (рРНК) составляет более 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, расположенными в так называ­емых ядрышковых организаторах некоторых акроцентрических хро­мосом.

Последовательность нуклеотидов в рРНК сходна у всех орга­низмов. Вся рРНК находится в цитоплазме, где она образует слож­ный комплекс с белками, формируя рибосому. На рибосомах ин­формация, зашифрованная в структуре мРНК, переводится (транс­лируется) в аминокислотную последовательность, т.е. происходит синтез белка.

На долю транспортных РНК (тРНК) приходится примерно 15% всей клеточной РНК. Поскольку большинство аминокислот коди­руются несколькими триплетами, число различных тРНК значи­тельно больше числа аминокислот (больше 20). Все молекулы тРНК имеют сходную структуру, напоминающую клеверный лист (рис. IV. 12). На 5'-конце молекулы всегда находится гуанин, а на 3'-конце — последовательность ЦЦА; тРНК узнает соответствующий кодон в мРНК ипереносит нужную аминокислоту в растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона мРНК осуществляется с помощью антикодонатранспортной РНК — специфичной для каж­дой аминокислоты последовательности трех оснований тРНК, ком­плементарных данному кодону мРНК. Аминокислота присоединяется к З'-концу тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.

Таким образом, тРНК играют связующую роль между мРНК и белком.

 

Рис. IV. 12. Строение транспортной РНК

 

IV.4. ТРАНСЛЯЦИЯ

 

Трансляция («перевод») — это процесс реализации информа­ции, закодированной в структуре мРНК, в последовательность аминокислотных остатков белка. Центральное место в трансля­ции принадлежит рибосомам, в большом количестве присутству­ющим в цитоплазме клеток. Функция рибосомы состоит в том, чтобы удержать в нужном положении мРНК, тРНК и белковые факторы до тех пор, пока не образуется пептидная (белковая) связь между соседними аминокислотами. Рибосома образована двумя субъединицами — большой и малой, состоящими из рибосомальной РНК (рРНК) и белков. Аминокислоты, находящиеся в цитоп­лазме, доставляются в рибосомы посредством транспортных РНК (тРНК); мРНК содержат транскрибированную с соответствую­щих генов информацию о том, какие белки должны быть синте­зированы в рибосомах, и служат матрицами, определяющими, в какой последовательности аминокислоты, доставленные тРНК в рибосомы, включаются в растушую полипептидную цепь белка. В области большой субъединицы рибосомы между аминокислота­ми образуются пептидные связи, т. е. происходит считывание ин­формации. Как только новая аминокислота присоединилась к ра­стущей цепи, рибосома перемещается по нити мРНК и узнает следующий кодон. Молекула тРНК, освободившись от аминокис­лоты, уже включенной в полипептидную цепь, покидает рибосо­му и возвращается в цитоплазму, чтобы вновь образовать комп­лекс с аминокислотой. Синтез белковой цепи продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов: УАА, УАГ или УГА. Процесс трансляции завершается, полипептидная цепь покидает рибосому, транспортируется к специфическим органеллам клетки, где модифицируется в функционально активный белок.

 

IV.5. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

 

Дж.Уотсон и Ф. Крик определили, что генетическая информа­ция заключена в последовательности нуклеиновых оснований струк­туры ДНК. После того как было установлено, что синтез белка происходит в цитоплазме, стало очевидным, что должен суще­ствовать точный механизм переноса информации от ДНК, нахо­дящейся в ядре, к белку.

Зависимость между последовательностью оснований ДНК ипоследовательностью аминокислотных остатков в белке получила название генетического кода.

Если бы каждый отдельный из нуклеотидов кодировал одну аминокислоту, то белок мог включать только четыре аминокисло­ты. Если каждая аминокислота кодировалась бы только двумя ос­нованиями, то это позволило бы закодировать 16 аминокислот. Од­нако лишь код, состоящий из трех оснований, может обеспечить включение в белок всех известных аминокислот. Подобный код со­держит 64 различных сочетания из трех нуклеотидов. Доказатель­ства триплетности генетического кода были впервые получены Ф. Криком в экспериментах с фагом Т4.

В конце пятидесятых годов два ученых, М. Ниренберг и Г. Мат-теи, искусственно получили (синтезировали) РНК, состоящую из многократно повторяющегося урацила (поли-У). Это соедине­ние (полиуридиловая кислота) было использовано в качестве мРНК, В каждую из 20 пробирок (по числу известных аминокислот) был внесен бесклеточный экстракт Е. coli, содержащий все необходи­мые компоненты для синтеза белка (рибосомы, тРНК, АТФ, дру­гие ферменты), и одна из аминокислот. Затем в каждую пробирку добавляли поли-У. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в той пробирке, которая содержа­ла аминокислоту фенилаланин. Таким образом, было доказано, что триплет, или кодон УУУ, входящий в мРНК, определяет вклю­чение в полипептид аминокислоты фенилаланин. Аналогичные опыты показали, что триплет ЦЦЦкодирует аминокислоту пролин, а типлет ААА — лизин. Это открытие явилось первым шагом к расшифровке генетического кода. К 1965 г. генетический код был полностью расшифрован (рис. IV. 13). Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот и поэтому были назва­ны бессмысленными или нонсенс-кодонами. Позднее оказалось, что они являются терминирующими кодонами. Назовем основные свойства генетического кода.

 

Рис. IV. 13. Генетический код

 

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

2. Генетический код является вырожденным: данная аминокис­лота может кодироваться более чем одним кодоном. Вырожден­ность кода обусловлена тем, что у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированы, а тре­тье положение может занимать другое основание. Исключение со­ставляют метионин и триптофан, которые кодируются только од­ним триплетом. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), ини­циирует считывание и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.

3. Генетический код однозначен. Каждому кодону соответствует только одна аминокислота, т.е. триплет шифрует только одну ами­нокислоту.

4. Генетический код не перекрываем — процесс считывания гене­тического кода не допускает возможности перекрывания кодонов.

5. Генетический код универсален: одни и те же триплеты коди­руют одни и те же аминокислоты у всех живых существ на Земле независимо от уровня их организации.

 

IV.6. ГЕНЫ И ИХ ОРГАНИЗАЦИЯ

 

Элементарной единицей наследственности является ген. Тер­мин «ген» был предложен в 1909 г. В. Иогансеном для обозначения материальной единицы наследственности, выделенной Г.Менде­лем. После работ американских генетиков Дж. Бидла и Э. Тейтума геном стали называть участок молекулы ДНК, кодирующий син­тез одного белка. Согласно современным представлениям, ген рас­сматривается как участок молекулы ДНК, характеризующийся спе­цифической последовательностью нуклеотидов, определяющих аминокислотную последовательность полипептидной цепи како­го-либо белка или нуклеотидную последовательность функциони­рующей молекулы РНК (тРНК, рРНК).

 

IV.6.1. Классификация генов

 

В зависимости от локализации генов в структурах клетки разли­чают ядерные и митохондриальные гены (рис. IV. 14).

 

Рис. IV. 14. Классификация генов

 

По своему функциональному назначению гены могут быть раз­делены на две группы. Первая группа представлена генами, коди­рующими белки; вторая группа — генами, контролирующими син­тез РНК.

Среди генов, кодирующих белки, различают:

— гены «домашнего хозяйства», продукты которых необходи­мы для обеспечения функции любого типа клеток;

— гены терминальной дифференцировки, т.е. гены, обеспечи­вающие специализированные функции клеток;

— гены траскрипционных факторов, контролирующие особые ядерные белки, способные соединяться с регуляторными областя­ми многих структурных генов, вызывая либо активацию, либо подавление транскрипции.

РНК-кодирующие гены определяют синтез различных видов РНК, необходимых для синтеза рибосом, обеспечения процессов трансляции, сплайсинга, а также для синтеза молекул РНК, вли­яющих на функционирование других генов (регуляторное действие).

Гены человека, как правило, представляют собой функциональ­но прерывистую последовательность нуклеотидов (рис. IV. 15). От­носительно короткие кодирующие последовательности оснований чередуются в них с длинными некодирующими последовательно­стями. Последовательности гена, представленные в молекуле зре­лой иРНК, получили название экзонов.Именно экзоны являются кодирующими участками гена, контролирующими аминокислот­ную последовательность белков. Экзоны разделены некодирующи­ми участками — нитронами,которые вырезаются (сплайсинг) в процессе созревания иРНК и не участвуют в процессе трансляции. В настоящее время в понятие «ген» включаются не только транс­крибируемые области (экзоны и интроны), но и фланкирующие ген последовательности.

 

Рис. IV. 15. Схема организации гена

 

Фланкирующие области гена, как прави­ло, высоко консервативны, т.е. характеризуются постоянством нуклеотидной последовательности, наблюдаемым даже при сравне­нии представителей различных видов. Фланкирующие области гена содержат последовательности, необходимые для его правильной работы: например, промоторная область в начале 5'-области или хвостовая нетранслируемая область поли-А, расположенная на З'-конце гена. Так, ТАТА — бокс (последовательность чередования тимина и аденина) обеспечивает правильную ориентацию РНК-полимеразы, что необходимо для транскрипции РНК.

Размеры генов человека могут колебаться от нескольких десят­ков пар нуклеотидов (п. н.) до многих тысяч и даже миллионов п. п. Так, самый маленький из известных генов содержит всего 21 п. н., а один из самых крупных генов — ген дистрофина — имеет размер более 2,6 млн п.н.

 

IV.7. ГЕНЫ И БЕЛКИ

 

После многолетних исследований серповидноклеточной ане­мии (малокровия) стало очевидным, что мутация определенного гена приводит к изменениям химической структуры молекулы гемоглобина. Основной тип гемоглобина взрослого человека со­стоит из четырех полипептидных (белковых) цепей: двух иден­тичных а-цепей и двух идентичных β-цепей (α2β2). В 1957 г. В. Ингрем обнаружил, что нормальный и серповидноклеточный гемоглобины содержат одинаковые а-цепи, но различные β-цепи. Различия между нормальной и мутантной (З-цепью заключались в том, что в серповидноклеточном гемоглобине остаток глутаминовой кислоты в 6-м положении заменен на остаток валина. Таким образом, различия между нормальным и мутантным вариантом, вызывающим заболевание, явились следствием молекулярного со­бытия — замены единственной аминокислоты в соответствующем белке. Выяснение природы серповидноклеточной анемии дало на­звание целому классу заболеваний человека — «молекулярные бо­лезни».

 

IV.7.1. Белки

 

Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности организ­мов. Каждый белок обладает своей уникальной функцией, которая определяется присущей только ему структурой и химическими свойствами.

Выделяют следующие функции белков: ферментативную, струк­турную, двигательную, транспортную, питательную, защитную и регуляторную.

 

IV.7.2. Схема синтеза белка

 

Процессы реализации информации, закодированной в специ­фической последовательности нуклеотидов конкретного гена, мож­но представлять обобщенно в так называемой центральной догме молекулярной биологин.

Согласно ей одиночные цепи ДН К служат матрицами при син­тезе комплементарных молекул (репликация). Далее смысловая цепь ДНК конкретного гена служит матрицей для синтеза точного транс­крипта (пре-мРНК) соответствующего гена (транскрипция). За­тем следует процесс созревания матричной РНК (процессинг), при котором происходит модификация молекулы и сплайсинг. Описанные события происходят в ядре клетки (рис. IV. 16). Зрелая и РНК выходит в цитоплазму, где на рибосомах осуществляется процесс перевода информации, записанной в последовательности иРНК, в аминокислотную последовательность соответствующего белка (трансляция).

 

Рис. IV.16. Схема репликации, транскрипции и трансляции генетической информации

 





Читайте также:

  1. В жизненном цикле багрянок имеются следующие фазы (поколения)
  2. Глава 21. Профилактика, сохранение и укрепление здоровья: систематика и общие аспекты
  3. История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ. Классификация ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ.
  4. История развития компьютеров. Классификация, поколения и семейства персональных ЭВМ
  5. Под информационной технологией понимают систему методов и программно-технических средств, обеспечивающих поиск, сбор, накопление, обработку и сохранение информации.
  6. ПРЕСТУПЛЕНИЯ, ПОСЯГАЮЩИЕ НА ИНТЕРЕСЫ ПРАВОСУДИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И СОХРАНЕНИЕМ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ
  7. Сохранение и считывание файлов
  8. Сохранение от пристрастий мира
  9. Сохранение срезанных цветов и транспортировка
  10. Суть всех общественно-политических разногласий. Консерваторы выступали за сохранение и
  11. Упражнение 1. Создание и сохранение документа.




Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 985; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2022 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.025 с.) Главная | Обратная связь