Основи молекулярної біології
3.1 Теоретичний і ілюстративний матеріал
3.2 Тестові завдання
Теоретичний і ілюстративний матеріал Життя - спосіб існування біополімерів, з яких основними є білки і нуклеїнові кислоти.
Білки є основним будівельним матеріалом клітини (платіческая функція) і контролюють всі процеси метаболізму клітини (ферментативна або каталітична функція). Крім того, білки виконують і інші важливі функції в клітині: опорно-рухова (актин, міозин, тубулін), рецепторна, транспортна, регуляторна та т. П.)
За своєю будовою всі білки є поліпептидами і складаються з амінокислот, сполучених пептидними зв'язками (первинна структура білка). Все розмаїття білків визначається амінокіс лотним складом, порядком розташування амінокислот і їх кількістю. Поліпептидна ланцюжок змінює своє просторове розташування, закручується в спіраль і утримується водородни- зв'язками (вторинна структура) - така будова мають фібріл- лярні білки. Багато білки беруть глобулярную (шаровід- ву) форму за рахунок утворення додаткових внутрішньо молекулярних зв'язків (сульфідних, інших гідрофобних) - так виникає третинна структура білка. А складні білки (наприклад, гемоглобін) можуть включати кілька глобулярних структур (четвертинна структура) і містити небілковий компонент. Молекула білка здатна до спрощення своєї організації (від IV → I) і восстановле- нию більш високих рівнів при зміні середовища (денатурація і ренатурації); якщо руйнується первинна структура, то ренатурації неможлива (необоротна денатурація).
Нуклеїнові кислоти виконують генетичну функцію (ДНК) і беруть участь в реалізації генетичної інформації (РНК). Молекули ДНК і РНК подібні за будовою. Це полінуклео- тіди (нуклеотид-мономер), що відрізняються по вуглеводи (рибоза і дезоксирибоза) і одному з чотирьох азотистих основ (Т-ДНК; У-РНК). Крім того, ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, а РНК - з однієї. Нуклеотиди одного ланцюга з'єднуються зв'язками, що виникають між залишком фосфорної кислоти і углеводом через фосфат, причому вуглець в положенні 5 подальшого нукле- відійшов з'єднується з вуглецем в положенні 3 попереднього. Фермент ДНК-полімераза приєднує нуклеотиди тільки в одному на- лення, а саме: 2-й - до 1-го, 3-й - до 2-го. Таким чином, удли- ня (зростання) ланцюга йде завжди в одному напрямку від 5 '→ 3', початок ланцюга позначається як 5'-кінець, а закінчення - 3'-кінець. У молекулі ДНК (рис. 38) ланцюга антіпараллельни, нуклеотиди протилежних ланцюгів пов'язані між собою за правилом комплементарності (А-Т; Г-Ц).
Зберігання генетичної інформації
Сенс генетичної інформації (будова білків) укладено в самій будові ДНК, т. Е. Від того, які нуклеотиди входять до складу молекули, скільки їх і як вони розташовані (в який послідовно ності), буде залежати, які амінокислоти увійдуть до складу по - ліпептіда, скільки їх буде і в якій послідовності вони бу- дуть розташовані (правило коллинеарности). Крім того, на молекулі ДНК є ділянки нуклеотидних послідовностей, які визначають будову рРНК і тРНК (гени рРНК і тРНК). Гени зосереджені в області вторинних перетяжок хромосом.
Генетичний код - це система запису генетичної інфор- ції, що дозволяє прямий і зворотний переклад відомостей і ис користування їх в процесі життєдіяльності клітини. Властивості генетичного коду:
універсальність - це значить, що у всіх організмів спадкоємця ственная інформація зашифрована однаковим способом;
триплетність - одиницею генетичного коду є три- плете нуклеотидів - кодон, який несе елементарну ін- формацію - про одну амінокислоті;
надмірність (вирожденність) - це означає, що одна амі- нокіслота може мати кілька кодових триплетів (серин, аланін і ін.). Тільки триптофан і метіонін мають по одно- му кодону (табл. 3);
Неперекриваемость - це значить, що один нуклеотид може входити до складу лише одного триплетів;
Однозначність - це значить, що один кодон відповідає тільки однієї амінокислоті.
Передача генетичної інформації
Передача генетичної інформації відбувається на етапі транс- кріпціі при синтезі мРНК (про-мРНК), рРНК і тРНК. Молекула ДНК є матрицею для синтезу мРНК, рРНК, тРНК.
біосинтез білка
Реалізація генетичної інформації здійснюється в процес- се біосинтезу білка і складається з двох етапів: 1. транскрипція (в кариоплазме); 2. трансляція (в цитоплазмі на рибосомах).
Обидва етапи відносяться до матричних процесів і вимагають нали- чия молекули-матриці, специфічного ферменту, енергії і осу- ються за правилом комплементарності. Ділянка молекули ДНК, структурно-функціональний еквіва- стрічок гена, на якому відбуваються транскрипційні процеси, на- ни опиняються цистрон (див. Рис. 39); він складається з послідовностей, відповідних структурному гену, і регуляторних послідовностей: промотора і термінатора (трейлера).
Промотор - спеціалізований ділянку (сайт) молекули ДНК (протяжністю кілька десятків нуклеотидів), розташований перед структурним геном. Промотор складається з двох частин: 1. ділянку зв'язування РНК-полімерази (ТАТААТ - ТАТА-бокс); 2. ділянку зв'язування регуляторного білка. Між цими двома сайтами відстань близько 20 пар нуклеотидів.
Термінатор - спеціалізований ділянку молекули ДНК, розташований безпосередньо за кодує послідовно- стю. Перша частина термінатора представлена ділянкою, що складається з GС нуклеотидів (GС багатий ділянку), а інша - декількома аденілові нуклеотидами (поліаденіловой ділянку).
транскрипція
Транскрипція - це процес передачі інформації у вигляді последо- вательності нуклеотидів з молекули ДНК на молекулу мРНК (іРНК). Складається з трьох етапів: ініціація, елонгація, термінація (рис. 39).
Ініціація - починається зі зв'язування РНК-полімерази з промотором і початком роз'єднання ланцюгів ДНК. Синтез мРНК починається на лідерних ділянці структурного гена, кото-рий складається з 3-12 нуклеотидів; починається з А (у прокаріот іноді G) нуклеотиду. На цьому етапі синтезируемая мРНК не- міцно пов'язана з транскрипційним комплексом (одна ланцюг ДНК, РНК-полімераза) і легко виходить з нього. В цьому випадку ініціація починається знову. Потім РНК-полімераза конформируется, зв'язок мРНК з транскрипційним комплексом стабілізується.
Елонгація - РНК-полімераза прискорює своє просування по ДНК, роз'єднуючи ланцюга і забезпечуючи комплементарное з'єднання ну- клеотідов. Синтезована частина молекули мРНК вивільняється з комплексу, а за РНК-полімераза відновлюється двухцепо- Чечні структура ДНК.
Терминация - РНК-полімераза проходить ділянку термінатора, багатий GС парами, а потім приєднує до себе регуляторний бе- лок, після чого транскрипційний комплекс руйнується, транс- кріпція припиняється.
У прокаріотів синтезується мРНК, яка може відразу слугувати матрицею для наступного етапу біосинтезу білка - транс- ляції. У еукаріот, в зв'язку з тим, що кодують послідовність ності перериваються некодуючими, первинний транскрипт не може служити матрицею при трансляції та ще в кариоплазме піддається складного процесу дозрівання, який називається процессингом. в результаті якого проматрічная РНК (про- мРНК) перетворюється в матричну (мРНК) (рис. 40).
Біологічний сенс трансляції - переклад інформації з по- послідовності нуклеотидів мРНК на послідовність аміно- кислот (розшифровка генетичного коду) в процесі утворення поліпептидного ланцюга (первинної структури білкової молекули). Трансляція протікає на рибосомах, розташованих в гіало- плазмі, або на мембранах ЕРС. У цьому процесі беруть участь всі види РНК: мРНК, рРНК, тРНК. Молекула мРНК зв'язується з рибосомою; молекули рРНК входять до складу субодиниць рибосом і виконують певні функції; тРНК транспортує амі- нокіслоти з гіалоплазми до рибосом. До складу субодиниць рибосом входять різноманітні рРНК, разли- чающиеся по константі седиментації (одиниця Сведберга - S). Так, до складу малої субодиниці у прокаріотів входить рРНК 16S, а у еукаріот - рРНК 18S, а до складу великої субодиниці у прокаріотів входять рРНК 5S і 23S, ау еукаріот 5S, 5,8S і 28S. Крім того, до складу рибосом входять різноманітні білки (у прокаріот - понад 50 унікальних молекул, у еукаріот - більше 70).
Набір рРНК і білків визначає константу седиментації (S) малої і великої субодиниць рибосом (у прокаріот 30S і 50S, у еукаріот 40S і 60S) та про- щую константу седиментації (S) рибосом (у прокаріот 70S, у еукаріот 80S). Молекули тРНК (рис. 41) - порівняно короткі молеку- ли, що складаються з 71-94 нуклеотидів. 5'-кінець зазвичай починається з гуанілова нуклеотиду (G), фосфорильованій; 3-'конец (акцепторні ділянку) завжди закінчується послідовністю CCA (ЦЦА), з'єднаний з групою -OH або з амінокислотою. В з- ставши тРНК входять кілька незвичайних азотистих основ (мінорних): інозин (Y), псевдоуридин (Ψ), дігідроурідін (D); часто зустрічаються метиловані звичайні азотисті основи. Внутрішньомолекулярні комплементарні зв'язку призводять до обра- тання конфігурації молекули «лист конюшини». Здвоєні ділянки - гілки (стебла), а одноцепочечниє ділянки - петлі. Та- ким чином, формуються 4 гілки і 3 петлі. Гілки: акцепторная, D (включає підставу D), антикодоновая, T (включає псевдоуридин). Петлі: D, Т і антикодоновая.
У клітці міститься більше 60 різних тРНК. Впізнавання тРНК своєї амінокислоти називається рекогніція, а зв'язування з нею - акцеп- ція. Ті тРНК, які здатні акцептувати одну і ту ж амино- кислоту, називаються ізоакцепторнимі. Трансляція також складається з трьох етапів: ініціація, елонгація, термінація (рис. 42, на прикладі прокаріот).
Ініціація. Початок матричного синтезу (трансляції) відбувається поетапно:
1. зв'язування мРНК з малої (30 \ S) субодиницею рибосоми;
2. установка в пептідільний центрі (Р) ініціюючого кодону АУГ (AUG);
3. зв'язування тРНК-форміл-метіонін (тРНК-f-met) з кодоном АУГ (освіта ініціюючого комплексу);
4. приєднання великий (50S) субодиниці рибосоми;
5. освіту комплексу кодон-антикодон в аміноацільном (А) центрі та освіту пептидного зв'язку між форміл-метіоні- ном і другий амінокислотою (освіта дипептида);
6. транспозиція рибосоми (переміщення) по мРНК на один три- плете (при цьому перша тРНК залишає рибосому, друга тРНК, з якою пов'язаний дипептид, переміщається з А- в Р-центр, а в А-центрі з'являється новий кодон).
Елонгація. Поглиблення і прискорення процесу трансляції, результатом чого є нарощування поліпептидного ланцюга. Складається з багаторазові але повторюваних етапів:
1. транспортування амінокислот в рибосому за допомогою тРНК;
2. освіту комплексу кодон-антикодон в А-центрі і освіту пептидного зв'язку між амінокислотами;
3. транспозиція рибосоми по мРНК на один триплет.
Терминация Закінчення трансляції:
1. поява в А-центрі після чергової транспозиції рібосо- ми терминирующего кодону (УАА, УАГ, УГА);
3. в P-центрі дестабілізується і втрачається зв'язок між тРНК і мРНК;
4. поліпептид отщепляется від тРНК;
5. мРНК залишає рибосому;
6. рибосома дисоціюють на субодиниці.
Самовідтворення ДНК (процес, що приводить до подвоєння молекул ДНК), називається реплікацією. Реплікація необхідна пе- ред поділом клітини, щоб кожна дочірня клітина мала таким же об'ємом інформації, як і материнська. Реплікація - реак- ція матричного синтезу, матрицею є материнська ДНК, про- процес протікає за правилом комплементарності, тому дочірні молекули ідентичні материнській. У кожній новій молекулі один ланцюг - стара (материнська), яка служила матрицею, а друга - знову синтезована, дочірня (напівконсервативний спосіб). Таким чином, біологічне значення реплікації ДНК - струк турна і функціональна спадкоємність клітин (збереження специфічності клітин) при відтворенні собі подібних.
Ділянка молекули ДНК, на якому йде реплікація, називається реплікон. У прокаріотів реплікон один, а у еукаріот на одній моле- куле ДНК може бути кілька репліконов. В області реплікону ланцюга роз'єднані; ділянки, що обмежують реплікон- репліка- тивні вилки (рис. 43).
Процес реплікації йде по-різному на протилежних це- пях, а також вправо і вліво від точки ініціації на одного ланцюга. Це визначається декількома моментами:
1. Напрямок роз'єднання ланцюгів одне для обох ланцюгів.
2. Ланцюги ДНК антіпараллельни.
3. Роз'єднання ланцюгів йде в обидві сторони від точки ініціації (середини реплікону).
4. Фермент ДНК-полімераза працює тільки в одному направле- нді, поєднуючи нуклеотиди від 5-го положення наступного нуклеотиду до 3-му попереднього.
Іноді в клітці проходить багаторазова реплікація ДНК без по- наступного поділу клітини і виникають «многонітчатие» гігантські хромосоми, містять сотні і тисячі молекул ДНК. Такі хромо- соми називаються політеннимі. Біологічний сенс політенії - різке збільшення кількості певних генів і, як наслідок, різка інтенсифікація синтезу певного білка (див. Рис. 49).
