1. Методические указания - Основы молекулярной биологии

3.ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

3.1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ИЛЛЮСТРАТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ

Жизнь - способ существования биополимеров, из которых основными являются белки и нуклеиновые кислоты.

Белки являются главным строительным материалом клетки (пластическая функция) и контролируют все процессы метаболизма клетки (ферментативная или каталитическая функция). Кроме того, белки выполняют и другие важные функции в клетке: опорно-двигательная (актин, миозин, тубулин), рецепторная, транспортная, регуляторная и т.п.

По своему строению все белки являются полипептидами и состоят из аминокислот, соединенных пептидными связями (первичная структура белка). Все разнообразие белков определяется аминокислотным составом, порядком расположения аминокислот и их количеством. Полипептидная цепочка изменяет свое пространственное расположение, закручивается в спираль и удерживается водородными связями (вторичная структура) - такое строение имеют фибриллярные белки. Многие белки принимают глобулярную (шаровидную) форму за счет образования дополнительных внутримолекулярных связей (сульфидных, других гидрофобных) - так возникает третичная структура белка. А сложные белки (например, гемоглобин) могут включать несколько глобулярных структур (четвертичная структура) и содержать небелковый компонент. Молекула белка способна к упрощению своей организации (от IV→I) и восстановлению более высоких уровней при изменении среды (денатурация и ренатурация); если разрушается первичная структура, то ренатурация невозможна (необратимая денатурация).

Нуклеиновые кислоты выполняют генетическую функцию (ДНК) и участвуют в реализации генетической информации (РНК).

Молекулы ДНК и РНК сходны по строению. Это полинуклеотиды (нуклеотид - мономер), отличающиеся по углеводу (рибоза и дезоксирибоза) и одному из четырех азотистых оснований (Т - ДНК; У - РНК). Кроме того, ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, а РНК - из одной. Нуклеотиды одной цепи соединяются связями, возникающими между остатком фосфорной кислоты и углеводом через фосфат, причем углерод в положении 5 последующего нуклеотида соединяется с углеродом в положении 3 предыдущего. Фермент ДНКполимераза присоединяет нуклеотиды только в одном направлении, а

1

именно: 2 –ой - к 1-ому, 3-ий - ко 2-му. Таким образом, удлинение (рост) цепи идет всегда в одном направлении от 5'→ 3', начало цепи обозначается как 5' конец, а окончание - 3' конец. В молекуле ДНК (рис. 40) цепи антипараллельны, нуклеотиды противоположных цепей связаны между собой по правилу комплементарности (А - Т; Г - Ц).

Направление роста цепи

Рис. 40. Отрезок молекулы ДНК из двух пар нуклеотидов.

Молекула ДНК выполняет функции:

1.Хранение генетической информации (информация зашифрована в структуре ДНК).

2.Передача генетической информации (первый этап биосинтеза белка

-транскрипция),

3.Самовоспроизведение (репликация).

4.Восстановление своей структуры после повреждения (репарация).

3.1.1. Хранение генетической информации

Смысл генетической информации (строение белков) заключен в самом строении ДНК, т.е. от того, какие нуклеотиды входят в состав молекулы, сколько их и как они расположены (в какой последовательности) будет зависеть, какие аминокислоты войдут в состав полипептида, сколько их будет и в какой последовательности они будут расположены (правило коллинеарности). Кроме того, на молекуле ДНК имеются участки нуклеотидных последовательностей, которые определяют строение рРНК и тРНК (гены рРНК и тРНК). Гены рРНК сосредоточены в области вторичных перетяжек хромосом.

2

Генетический код – это система записи генетической информации, позволяющая прямой и обратный перевод сведений и использование их в процессе жизнедеятельности клетки. Свойства генетического кода:

универсальность - это значит, что у всех организмов наследственная информация зашифрована одинаковым способом.

триплетность - единицей генетического кода является триплет нуклеотидов - кодон, который несет элементарную информацию - об одной аминокислоте.

избыточность (вырожденность) - это значит, что одна аминокислота может иметь несколько кодовых триплетов (серин, аланин и др.) Только триптофан и метионин имеют по одному кодон у (табл. № 3).

неперекрываемость – это значит, что один нуклеотид может входить в состав только одного триплета.

однозначность – это значит, что один кодон соответствует только одной аминокислоте.

Кроме смысловых кодонов имеются кодоны-терминаторы и кодонинициатор.

	Таблица генетического кода				Таблица 3
		Кодоны мРНК
Первый	Второй		Третий нуклеотид
нуклеотид	нуклеотид	У	Ц	А	Г
У	У	Фен	Фен	Лей	Лей
	Ц	Сер	Сер	Сер	Сер
	А	Тир	Тир	Терминатор	Терминатор
	Г	Цис	Цис	Терминатор	Три
Ц	У	Лей	Лей	Лей	Лей
	Ц	Про	Про	Про	Про
	А	Гис	Гис	ГлуNH2	ГлуNH2
	Г	Арг	Арг	Арг	Арг
А	У	Илей	Илей	Илей	Мет
	Ц	Тре	Тре	Тре	Тре
	А	АспNH2	АспNH2	Лиз	Лиз
	Г	Сер	Сер	Арг	Арг
Г	У	Вал	Вал	Вал	Вал
	Ц	Ала	Ала	Ала	Ала
	А	Асп	Асп	Глу	Глу
	Г	Гли	Гли	Гли	Гли

3

3.1.2. Передача генетической информации

Передача генетической информации происходит на этапе транскрипции при синтезе мРНК (про-мРНК), рРНК и тРНК. Молекула ДНК является матрицей для синтеза мРНК, рРНК, тРНК.

Биосинтез белка

Реализация генетической информации осуществляется в процессе биосинтеза белка и состоит из двух этапов:

1)транскрипция (в кариоплазме);

2)трансляция (в цитоплазме на рибосомах).

Оба этапа относятся к матричным процессам и требуют наличия мо- лекулы-матрицы, специфического фермента, энергии и осуществляются по правилу комплементарности.

Участок молекулы ДНК, структурно-функциональный эквивалент гена, на котором происходят транскрипционные процессы, называется цистрон (рис. 41); он состоит из последовательностей, соответствующих структурному гену и регуляторных последовательностей: промотора и терминатора (трейлера).

Рис. 41. Этапы транскрипции.

а – структурнофункциональная единица

– цистрон; б – инициация;

в – элонгация; г – терминация;

П – промотор, Т – терминатор (трейлер), РНК-п – РНКполимераза.

4

Промотор – специализированный участок (сайт) молекулы ДНК (протяженностью несколько десятков нуклеотидов), расположенный перед структурным геном. Промотор состоит из двух частей: 1) участок связывания РНК-полимеразы (ТАТААТ — ТАТА-бокс); 2) участок связывания регуляторного белка. Между этими двумя сайтами расстояние около 20 пар нуклеотидов.

Терминатор – специализированный участок молекулы ДНК, расположенный непосредственно за кодирующей последовательностью. Первая часть терминатора представлена участком, состоящим из GС нуклеотидов (GС богатый участок), а другая – несколькими адениловыми нуклеотидами (полиадениловый участок).

Транскрипция

Транскрипция – это процесс передачи информации в виде последовательности нуклеотидов с молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК). Состоит из трех этапов: инициация, элонгация, терминация (рис. 39).

1.Инициация - начинается со связывания РНК-полимеразы с промотором и началом разъединения цепей ДНК. Синтез мРНК начинается на лидерном участке структурного гена, который состоит из 3 - 12 нуклеотидов; начинается с А (у прокариот иногда G) нуклеотида. На этом этапе синтезируемая мРНК непрочно связана с транскрипционным комплексом (одна цепь ДНК, РНК-полимераза) и легко выходит из него. В этом случае инициация начинается вновь. Затем РНКполимераза конформируется, связь мРНК с транскрипционным комплексом стабилизируется.

2.Элонгация - РНК-полимераза ускоряет свое продвижение по ДНК, разъединяя цепи и обеспечивая комплементарное соединение нуклеотидов. Синтезированная часть молекулы мРНК высвобождается из комплекса, а за РНК-полимеразой восстанавливается двухцепочечная структура ДНК.

3.Терминация - РНК-полимераза проходит участок терминатора, богатый GС парами, а затем присоединяет к себе регуляторный белок, после чего транскрипционный комплекс разрушается, транскрипция прекращается.

У прокариот синтезируется мРНК, которая может сразу служить матрицей для следующего этапа биосинтеза белка - трансляции. У эукариот, в связи с тем, что кодирующие последовательности прерываются некодирующими, первичный транскрипт не может служить матрицей при трансляции и еще в кариоплазме подвергается сложно-

5

му процессу созревания, который называется процессингом, в результате которого проматричная РНК (про-мРНК) превращается в матричную (мРНК) (рис. 42).

Рис. 42. Схема транскрипции и процессинга у эукариот

(э - экзоны; и - интроны).

6

Трансляция

Биологический смысл трансляции – перевод информации с последовательности нуклеотидов мРНК на последовательность аминокислот (расшифровка генетического кода) в процессе образования полипептидной цепи (первичной структуры белковой молекулы).

Трансляция протекает на рибосомах, расположенных в гиалоплазме или на мембранах ЭПС. В этом процессе принимают участие все виды РНК: мРНК, рРНК, тРНК. Молекула мРНК связывается с рибосомой; молекулы рРНК входят в состав субъединиц рибосом и выполняют определенные функции; тРНК транспортирует аминокислоты из гиалоплазмы к рибосомам.

В состав субъединиц рибосом входят разнообразные рРНК, различающиеся по константе седиментации (единица Сведберга - S). Так, в состав малой субъединицы у прокариот входит рРНК 16S, а у эукариот – рРНК 18S, а в состав большой субъединицы у прокариот входят рРНК 5S и 23S, а у эукариот 5S, 5,8S и 28S. Кроме того, в состав рибосом входят разнообразные белки (у прокариот – более 50 уникальных молекул, у эукариот – более 70).

Набор рРНК и белков определяет константу седиментации (S) малой и большой субъединиц

рибосом (у прокариот 30S и 50S, у эукариот 40S и 60S) и общую константу седиментации (S) рибосом (у прокариот 70S, у эука-

риот 80S).

Молекулы тРНК (рис. 43) – сравнительно короткие молекулы, состоящие из 71-94 нуклеотидов. 5/-конец обычно начинается с гуанилового нуклеотида (G), фосфорилирован; 3/- конец (акцепторный участок) всегда заканчивается последовательностью CCA (ЦЦА), соединен с группой -OH или с аминокислотой. В состав т-РНК входят несколько необычных азотистых оснований (минорных): инозин (Y), псевдоуридин (Ψ), дигид-

роуридин (D); часто встреча- Рис. 43. Вторичная структура тРНК.

7

ются метилированные обычные азотистые основания. Внутримолекулярные комплементарные связи приводят к образованию конфигурации молекулы “клеверный лист”. Сдвоенные участки-ветви (стебли), а одноцепочечные участки-петли. Таким образом, формируются 4 ветви и 3 петли. Ветви: акцепторная, D-(включает осно- вание-D), антикодоновая, T-(включает псевдоуридин). Петли: D, Т и антикодоновая.

В клетке содержится более 60 разных тРНК. Узнавание тРНК своей аминокислоты называется рекогниция, а связывание с ней - акцепция. Те тРНК, которые способны акцептировать одну и ту же аминокислоту, называются изоакцепторными.

Трансляция также состоит из трех этапов: инициация, элонгация, терминация (рис. 44 на примере прокариот).

Инициация

Начало матричного синтеза (трансляции) происходит поэтапно:

связывание мРНК с малой (30 S) субъединицей рибосомы

установка в пептидильном центре (Р) инициирующего кодона АУГ

(AUG)

связывание тРНК – формил-метионин (тРНК – f-met) с кодоном АУГ (образование инициирующего комплекса)

присоединение большой (50 S) субъединицы рибосомы

образование комплекса кодон-антикодон в аминоацильном (А) центре и образование пептидной связи между формил-метионином и второй аминокислотой (образование дипептида)

транспозиция рибосомы (перемещение) по мРНК на один триплет (при этом первая тРНК покидает рибосому, вторая тРНК, с которой связан дипептид, перемещается из А - в Р-центр, а в А-центре появляется новый кодон).

Элонгация

Углубление и ускорение процесса трансляции, результатом чего является наращивание полипептидной цепи. Состоит из многократно повторяющихся этапов:

-транспортировка аминокислот в рибосому с помощью тРНК

-образование комплекса кодон-антикодон в А-центре и образование пептидной связи между аминокислотами

-транспозиция рибосомы по мРНК на один триплет.

Терминация

Окончание трансляции.

-появление в А-центре после очередной транспозиции рибосомы терминирующего кодона (УАА, УАГ, УГА)

8

-в P-центре дестабилизируется и утрачивается связь между тРНК и мРНК

-полипептид отщепляется от тРНК

-мРНК покидает рибосому

-рибосома диссоциируется на субъединицы.

Рис. 44. Этапы трансляции (прокариоты).

1 -5 - инициация; 6 - 9 – элонгация (9 последний - неповторяющийся этап);а … - многократное повторение этапов 6, 7, 8; 10 - 11 - терминация; 30 S - малая субъединица рибосомы; 50 S - большая субъединица рибосомы; mRNA - матричная РНК (мРНК); f-met - фор- мил-метионин; ● - аминокислота; AUG - инициирующий кодон; UAA - терминирующий кодон. - дипептид

9

3.1.3. Репликация

Самовоспроизведение ДНК (процесс, приводящий к удвоению молекул ДНК), называется репликацией. Репликация необходима перед делением клетки, чтобы каждая дочерняя клетка обладала таким же объемом информации, как и материнская. Репликация - реакция матричного синтеза, матрицей является материнская ДНК, процесс протекает по правилу комплементарности, поэтому дочерние молекулы идентичны материнской. В каждой новой молекуле одна цепь - старая (материнская), которая служила матрицей, а вторая - вновь синтезированная, дочерняя (полуконсервативный способ). Таким образом, биологическое значение репликации ДНК - структурная и функциональная преемственность клеток (сохранение специфичности клеток) при воспроизведении себе подобных.

Участок молекулы ДНК, на котором идет репликация, называется репликон. У прокариот репликон один, а у эукариот на одной молекуле ДНК может быть несколько репликонов. В области репликона цепи разъединены; участки, ограничивающие репликон - репликативные вилки (рис. 45).

Рис. 45. Схема репликации ДНК (половина репликона).

10