: Главная arrow Клетка и ее структура arrow Синтез белка и генетический код  

Синтез белка и генетический код

Печать E-mail
 

 

Репликация ДНК. У бактерий, так же как и у высших организмов, носи­телем генетической информации служит ДНК. Рассматривая структуру клетки, мы уже говорили о том, что бактериальная ДНК представляет собой двойную спираль, замкнутую в кольцо. Сразу же возникает во­прос: как сохраняется наследственная информация при росте и размно­жении клеток? Перед их делением происходит идентичная редупликация, или репликация, генов. Этот процесс можно удовлетворительно объяс­нить, исходя из модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, и из механизма удвоения ДНК, теперь уже известного (см. с. 36). Две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. На каждой цепи из структурных элементов ДНК-дезоксирибонукле-озидтрифосфатов-синтезируется новая цепь; при этом с каждым из ос­нований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей опять-таки будет комплементарна родительской цепи. Обе новые двойные спирали состоят из одной родительской и одной вновь синтезированной цепи. Эта точная репликация ДНК га­рантирует сохранение генетической информации.

Транскрипция ДНК. Возникает еще один вопрос: каким образом со­держащаяся в генах информация определяет специфическую активность и другие свойства ферментов и как она преобразуется в аминокислот­ную последовательность ферментного белка? ДНК, будучи носителем наследственной информации, тем не менее сама не служит матрицей для синтеза полипептидов. Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые непосредственно с ДНК не соприкасаются. Передачу записан­ной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет матрич­ная, или информационная, рибонуклеиновая кислота (мРНК). Она со­стоит из одной цепи и очень напоминает одиночную цепь ДНК с тем отличием, что тимин (Т) ДНК в РНК заменен урацилом (U). мРНК син­тезируется на одной из цепей ДНК, причем механизм этого процесса сходен с механизмом репликации ДНК. Образование мРНК начинается на 5'-ОН-конце, и по последовательности оснований ее цепь комплемен­тарна цепи ДНК. Таким образом, при синтезе мРНК просто копируется нуклеотидная последовательность ДНК. Этот процесс называют тран­скрипцией и противопоставляют его трансляции - переводу нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот:

Генетический код. Каждый ген представлен определенным участком молекулы ДНК. Специфическая информация, содержащаяся в гене, определяется последовательностью оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК. включает четыре

 «буквы»-основания аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) и цитозин (С). В мРНК тимин заменен урацилом (U).

Специфичность ферментных белков, синтез которых контролируют гены, определяется последовательностью аминокислот в полипеп­тидных цепях. Эта же последовательность определяет и пространствен­ную структуру белка, так называемую конформацию (вторичную, тре­тичную и четвертичную структуру).

Для перевода с языка нуклеиновых кислот на язык аминокислот слу­жит специфический код. Каждая аминокислота определяется группой из трех соседних нуклеотидов - триплетом, или кодовом. Та или иная по­следовательность триплетов в нуклеиновой кислоте однозначно опреде-

 

Image

ляет последовательность аминокислот в полипептидной цепи; послед­няя, таким образом, представляет собой колинеарное отображение нуклеиновой кислоты. В триплетах возможны 64 различные комбинации нуклеотидов (табл. 15.1). Если бы каждая из 20 аминокислот кодирова­лась лишь одним-единственным триплетом, то 44 возможные комбина­ции остались бы неиспользованными. Но оказалось, что многие амино­кислоты кодируются двумя или большим числом различных триплетов. Некоторые триплеты имеют особый смысл-они означают «начало» или «конец» полипептидной цепи. Триплеты считываются как 1, 2, 3; 1, 2, 3 и т.д. от начала молекулы мРНК.

Трансляция мРНК: синтез белка. Аминокислоты соединяются в поли­пептидную цепь в порядке, определяемом триплетами мРНК. В этом процессе участвуют мРНК, транспортные РНК (тРНК). рибосомы, ряд ферментов, АТР и другие факторы. Сначала аминокислоты при участии АТР активируются с образованием аминоацил-АМР:

Аминокислота + АТР -> Аминоацил-АМР + РР;

От AMP аминоацильная группа переносится на концевой нуклеотид тРНК. Активация и присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК осуществляются с помощью специфического фермента-амино-ацил-тРНК-синтетазы, которая распознает, с .одной стороны, амино­кислоту, а с другой - соответствующую тРНК. Имеется 20 различных аминоацил-тРНК-синтетаз, по одной для каждой аминокислоты. Как уже упоминалось, некоторым аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов (т.е. генетический код, как говорят, «вы­рожденный»); для каждой из таких аминокислот имеется несколько тРНК. Различные тРНК, предназначенные для одной и той же амино­кислоты, называют также изоакцепторными тРНК. Таким образом, со­ответствующая синтетаза может присоединять аминокислоту к несколь­ким изоакцепторным тРНК. В молекуле тРНК имеется участок, комплементарный кодону мРНК (антикодон). Соединение аминокислот происходит на рибосомах (рис. 15.1). Рибосома перемещается вдоль мРНК. начиная с 5'-ОН-конца, и при каждом ее перемещении на один триплет очередная аминокислота устанавливается транспортной тРНК в нужное положение и присоединяется своей аминогруппой к карбок­сильной группе предшествующей аминокислоты (образуется пептидная связь). Так растет полипептидная цепь по мере продвижения рибосомы вдоль мРНК. По-видимому, одновременно происходит закручивание этой цепи и свертывание ее в клубок, определяемое последователь­ностью аминокислот и природой их боковых цепей (гидрофобные и гид­рофильные группы), и в результате возникает структура, обусловли­вающая специфические свойства и функцию данного белка. К мРНК обычно прикрепляется несколько рибосом, так что на одной и той же матрице одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей. Такой комплекс одной мРНК с рибосомами называют полисомой. На конце мРНК находится кодон, от которого зависит отделение сформи-

 

Image

рованной полипептидной цепи от рибосомы (UAA, UAG или UGA). Таким образом, нуклеотидная последовательность ДНК представ­ляет собой закодированную «инструкцию», определяющую (при посред­стве мРНК) структуру специфического белка. Представление о передаче информации от ДНК через РНК на белок называют «центральной до­гмой» молекулярной биологии. Таким путем происходит перенос ин­формации у всех организмов, у которых генетическим материалом слу­жит ДНК. Этот универсальный процесс передачи информации при репликации ДНК, транскрипции и трансляции представлен на приведен­ной выше схеме (стр. 435) красными стрелками. Эта схема применима к эукариотам, прокариотам и ДНК-вирусам.

Среди РНК-вирусов есть такие, у которых РНК реплицируется прямо на матрице РНК. Однако у некоторых онкогенных (опухолеродных) РНК-вирусов вначале происходит синтез ДНК, контролируемый РНК, т.е. РНК служит ма­трицей для синтеза ДНК. Таким образом, информация, содержащаяся в вирус­ной РНК, передается на ДНК путем обратной транскрипции (при помощи фер­мента обратной транскриптазы; см. упомянутую выше схему). Этот фермент можно выделить из клеток опухолей, вызываемых РНК-вирусами. Он находит применение в генной инженерии (см. разд. 15.3.6). Если, например, в качестве но­сителя информации выделяют не фрагмент ДНК, а соответствующую мРНК, то последняя должна быть «переписана» в ДНК, которая и встраивается в плазми-ду. При помощи обратной транскриптазы удается получить нужную ДНК in vitro.

У прокариотических организмов обратная транскрипция не найдена.

 
« Пред.   След. »