Основные понятия о молекулярной биохимической генетике

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Основные понятия о молекулярной биохимической генетике»

МИНСК, 2008

Материальными носителями наследственной информации от поколения к поколению у человека, как и у большинства организмов, являются хромосомы клеточных ядер. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом и строением хромосом, в совокупности составляющих хромосомный набор, или кариотип. Для соматических клеток человека характерно наличие в кариотипе 46 хромосом, составляющих 23 пары. Кариотипы будущего организма определяются в процессе оплодотворения яйцеклетки, когда при слиянии женского и мужского пронуклеусов их хромосомные наборы (из 23 хромосом) объединяются в один двойной, диплоидный набор, из 46. Каждой хромосоме одинарного, гаплоидного набора яйцеклетки соответствует гомологичная ей хромосома гаплоидного набора сперматозоида. Это правило распространяется на 22 из 23 хромосом – эти хромосомы- аутосомы. 23 хромосома во всех яйцеклетках одинакова – это так называемая Х-хромосома. Сперматозоиды различаются по 23 хромосоме: половина содержит Х- , а половина У- хромосомы. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом формируется набор из 46 хромосом с двумя Х-хромосомами, такая оплодотворенная яйцеклетка (зигота) дает начало женскому организму. При оплодотворении яйцеклетки У- сперматозоидом формируется кариотип ХУ, такая зигота дает начало мужскому организму.

Независимо от пола, рост и развитие эмбриона, плода, ребенка происходит путем митозов – митотических делений клеток. Имеются две особенности митотического размножения клеток: период между двумя митозами – интерфаза. В ней происходит удвоение хромосом диплоидного набора. На каждой хромосоме строится ее точная копия. На следующем этапе такой набор распределяется строго поровну между двумя дочерними ядрами, каждое из которых получает, таким образом, полный диплоидный набор, в котором представлены копии всех хромосом, полученных как от яйцеклетки, так и от сперматозоида. При делениях созревания половых клеток на смену митозу приходит мейоз. Это сложный процесс. В мейозе происходит 2 генетически важных события – рекомбинации, т.е. перегруппировки хромосомного материала. В результате этого в числе 23 хромосом, оказавшихся в одном дочернем ядре будут различные сочетания хромосом материнского и отцовского происхождения. Число таких сочетаний 2²³, или около 10 млн. вариантов. Это обеспечивает широчайший спектр наследственной изменчивости и генетическую неповторимость индивидов. Другой процесс генетической рекомбинации – кроссинговер – обмен участками между гомологичными хромосомами. Частота кроссинговера пропорциональна расстоянию между генами на хромосоме, причем каждый ген в норме имеет на ней вполне определенное место – локус.

Количество генов на каждой из хромосом исчисляется многими тысячами. Общее число генов у человека составляет несколько десятков или даже сотен тысяч. Каждый ген представляет собой отрезок гиганского полимера ДНК, основного носителя наследственной информации и главного структурного компонента хромосом.

В 60-х годах 19 века из ядер клеток было выделено вещество, которое было названо нуклеиновой кислотой. В 40 годах 20 столетия установлено, что нуклеиновая кислота ДНК, ответственна за передачу наследственной информации. В 1953 году Уотсон и Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК.

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот – РНК и ДНК. Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, репликации, рекомбинации и передаче генетической информации. Именно нуклеиновые кислоты определяют вид, форму, состав живой клетки и ее функции. Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. И РНК и ДНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: неорганический фосфат, моносахарид и остаток пурина или пиримидина, называемый азотистым основанием. Эти составные части соединены друг с другом в следующем порядке: фосфат-остаток моносахарида-азотистое основание.

Моносахариды – важная составная часть РНК – рибоза и ДНК – дезоксирибоза. Эти углеводы являются пентозами.

Азотистые основания – это:

-Пурины: аденин и гуанин

-Пиримидины: цитозин, тимин, урацил.

Благодаря своей гетероциклической ароматической природе пурины и пиримидины поглощают электромагнитную энергию в УФ диапазоне, максимум поглощения 260 нм. На этом свойстве основаны лабораторные методы обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Фосфатная группа в составе органической биомолекулы обычно входит как компонент.

Структура нуклеозидов: фрагмент нуклеотида, представляющий собой азотистое основание с присоединенным к нему углеводным остатком, называют нуклеозидом.

Для наиболее распространенных рибонуклеозидов приняты тривиальные названия: аденозин, гуанозин, уридин и цитозин. Обычно встречающиеся в ДНК дезоксирибонуклеозиды называются дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин и тимидин.

Нуклеотид представляет собой нуклеозид с присоединенной эфирной связью к углеводному остатку фосфатной группой. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды делят на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. В зависимости от числа имеющихся остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты, нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты. Таким образом, семейство аденозина включает АМФ, АДФ и АТФ.

Циклические нуклеотиды.

Аденозин –3-5-цикломонофосфат - широко распространен. Адреналин активирует фермент, ответственный за синтез ц-АМФ, который контролирует активность других ферментов. Известны еще 2 циклических нуклеотида: циклический гуанозинмонофосфат и циклический цитозинмонофосфат.

Именно последовательность азотистых оснований вдоль сахарофосфатной цепи определяет уникальную структуру и функциональную индивидуальность молекул ДНК и РНК. Термин нуклеотидная последовательность и последовательность азотистых оснований взаимозаменяемы.

Наиболее важна следующая функция нуклеозидтрифосфатов: во всех живых клетках АТФ выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (разумеется на молекулярном уровне). Процесс превращения АТФ в АДФ или АМФ составляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток.

Нуклеиновые кислоты (структура полинуклеотидов)

Полипептиды состоят из АК, соединенных пептидными связями. Полинуклеотиды состоят из нуклеотидов, соединенных фосфоэфирными связями. И РНК и ДНК можно выделить из клеток, субклеточных фракций. Для разделения смеси РНК и ДНК на компоненты используются различные методы: ионообменная, адсорбционная гель-проникающая и аффинная хроматография, а также электрофорез в полиакриламидном геле.

Каждая РНК и ДНК имеет определенный нуклеотидный состав, но он не является уникальной характеристикой структуры. Уникальность определяется последовательностью оснований.

Для нуклеотидного состава ДНК известны важные общие закономерности, известные как правила Чаргаффа:

1.Число пуриновых оснований (А+G), равно числу пиримидиновых оснований (Т+С). т.е. соотношение пуринов и пиримидинов равно единице).

2.Число остатков аденина равно числу остатков тимина, т.е. отношение аденина к тимину равно 1.

3. Число остатков гуанина равно числу остатков цитозина, т.е.отношение гуанина к цитозину равно единице.

Нуклеазы, ферменты, катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот. Эндонуклеазы расщепляют внутрицепочечные диэфирные связи, а экзонуклеазы действуют на концевые диэфирные связи.

Известно, что живые клетки содержат 3 типа РНК, выполняющие определенные функции. РНК бывает – 1) информационной - мРНК, 2) транспортной-тРНК и 3) рибосомной-рРНК.

Эукариотические клетки содержат и другие типы РНК, функции которых еще не установлены. Некоторые из них обнаружены в ядре, другие в цитоплазме.

Что касается основных типов РНК с известными функциями, то каждая из них выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность АК определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.

В ходе процесса, называемого транскрипцией нуклеотидная последовательность гена в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидные последовательности транскриптов мРНК представляют собой инструкции для синтеза полипептидов на поверхности рибосом, а транскипты ионов тРНК соединяются с АК, которые затем переносят в рибосомный синтезирующий центр в порядке, указанном в мРНК (трансляция).

Информационные РНК представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Вероятнее всего молекула мРНК – это просто незамкнутая цепочка. Характерная особенность любой мРНК заключена в уникальной последовательности нуклеотидов, содержащих азотистые основания. Каждый последовательно присоединенный набор из трех нуклеотидов (кодон) обеспечивает информацию для последовательного присоединения АК при биосинтезе полипептида.

Например, ИИИ обеспечивает присоединение фенилаланина, АИА – изолейцина, ГАИ – аспарагиновой кислоты.Следующий тип РНК – транспортные. Каждая клетка содержит несколько различных видов молекул тРНК, до 60.

Что же собой представляет матричная РНК? Начало белкового синтеза в интактных клетках иногда совпадает во времени с увеличением количества или скорости обновления цитоплазматической РНК. Анализируя этот факт, возникла гипотеза о матричной или информационной РНК. Это быстро меняющаяся РНК, образующаяся во время или перед началом белкового синтеза. Она функционирует в качестве посредника, переносящего генетическую информацию от хромосомной ДНК на поверхность рибосом. Молекула матричной РНК содержит полную генетическую информацию, необходимую для специфического синтеза одной или нескольких полипептидных цепей. Эта молекула связывается с рибосомами и служит рабочей матрицей при белковом синтезе. Синтез матричной РНК – транскрипция. Необходим фермент РНК-полимераза, эта реакция требует наличия ионов магния и при этом высвобождается пирофосфат. РНК-полимераза наиболее активна если в качестве матрицы используется двухцепочечная ДНК. Если же в системе используется одноцепочечная или денатурированная ДНК, то активность фермента ниже.

Синтез РНК, катализируемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой специфически ингибируется актиномицином Д, который связывается с ДНК.

Где же синтезируется белок? В рибосомах. Рибосомы – мультимолекулярные агрегаты, состоящие из белков и РНК (рибосомной РНК). Интактная рибосома представляет собой комплекс из двух субъединиц. Интактный комплекс может диссоциировать на субъединицы и далее с образованием рРНК и ряда белков.

Рассмотрим рибосомы как место синтеза белка. Для выяснения функций рибосом проведены эксперименты. После введения радиоактивных АК животным, проведен забор печени, ее гомогенизирование и фракционированние методом дифференциального центрифугирования,. Далее сделан анализ и установлено, что белки синтезируются первоначально во внутриклеточных структурах, образующих микросомную фракцию. В ходе дальнейших исследований рибосомы отделяли от эндоплазматической сети обработкой нейтральными растворами желчных кислот. Очищенные таким путем рибосомы включают АК в синтезируемые белки при инкубации с АТФ и ионами магния.

Молекулы транспортной РНК (растворимой РНК) самые маленькие из всех нуклеиновых кислот. Каждая транспортная РНК присоединяется к определенной АК, чтение кодонов мРНК достигается тем, что в каждой тРНК уникальная тринуклеотидная последовательность – антикодон, последовательность которого комплементарна последовательности кодона.

Рибосомы состоят из двух субъединиц, в состав которых входят рибосомная РНК и белок. Известно, что некоторые рибосомные белки выполняют каталитические функции. Функция рибосомной РНК до сих пор неясна. Вероятно, она и белки участвуют в конформационных изменениях, сопровождающих биосинтез белка, когда новая полипептидная цепь и мРНК перемещаются на рибосоме. Рибосомы должны связывать во-первых, матрицу (мРНК), во-вторых, строящуюся полипептидную цепь и в третьих , вновь поступающие молекулы аминоацил- тРНК. Что такое полирибосомы? Если рибосомы выделяют в условиях, когда они не подвергаются действию рибонуклеаз или механическим воздействиям, то их получают в виде скопления рибосом. Такие скопления – полирибосомы. (полисомы) Поскольку полисомы можно расчленить на рибосомы, то ясно, что последние удерживаются вместе при помощи цепи РНК. Поскольку число рибосом в полисоме пропорционально числу АК остатков в синтезируемых полипептидных цепях, был сделан вывод, что цепь РНК, соединяющая рибосомы – это мРНК, которая считывается одновременно несколькими рибосомами, расположенными на некотором расстоянии одна от другой. Каждая отдельная рибосома в полисоме способна синтезировать полную полипептидную цепь и не нуждается в присутствии других рибосом.

Белковый синтез

Схема ДНК – РНК – белок, 1 часть (ДНК – РНК) транскрипция, т.е. биосинтез молекул РНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна какому-либо участку (гену) молекулы двухцепочечной ДНК.

2 часть (РНК- белок) - это трансляция, биосинтез полипептидных цепей. Процесс трансляции включает активацию и отбор АК, инициацию синтеза полипептидной цепи (узнавание), элонгацию полипептидной цепи (наращивание) и терминацию синтеза полипептидной цепи (окончание)

Таким образом, синтез полипептидных цепей протекает в несколько стадий. 1. Активация АК. 2. Инициация полипептидной цепи. 3.Элонгация.4. Терминация.

1.Первая стадия белкового синтеза, называющаяся стадией активации, которая протекает в растворимой части цитоплазмы.

2. На второй стадии образуется инициирующий комплекс.

3. На третьей стадии белкового синтеза пептидная цепь удлиняется (элонгация) путем последовательного присоединения новых аминоацильных остатков.

4.На последней стадии синтез полипептидной цепи заканчивается (терминация). Сигналами терминации служат определенные участки мРНК, когда при транслокации до них доходжит очередь, синтез останавливается и готовая цепь отделяется от рибосомы.

Таким образом, синтез белка у эукариотов протекает на рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью. Синтез белка может осуществляться также и в митохондриях, содержащих специфическую кольцевую ДНК, специфические митохондриальные формы мРНК и активирующие ферменты, а также рибосомы, сходные с рибосомами бактерий.

Вся программа химических процессов в организме записана в ДНК, молекулярном хранилище генетической информации. Расшифрована нуклеотидная последовательность ДНК и РНК, т.е. первичная структура. В 1953 году Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спиральных полинуклеотидных цепей, переплетенных друг с другом и противоположно направленных. Следовательно, ДНК обладает первичной структурой – нуклеотидной последовательностью. Вторичной структурой – это 2 правозакрученные спиральные полинуклеотидные цепи, переплетенные друг с другом и противоположно направленные. Двухцепочечную структуру стабилизируют водородные связи, электростатические взаимодействия. При различных химических и физических воздействиях двухцепочечная ДНК может быть раскручена.

Данное открытие сыграло решающую роль для биологической науки 20 столетия.

Предположение о взаимодействии между азотистыми основаниями, помещенными друг напротив друга, полностью соответствует правилу Чаргаффа. Пурин всегда связан водородными связями с пиримидином (1:1). Аденин всегда связан с тимином (А=Т), а гуанин всегда связан водородными связями с цитозином (Г=Ц). Пары А=Т и Г=Ц называются комплементарными парами оснований. Более того последовательность одной из цепей полностью комплементарна последовательности второй. Противоположная полярность двух цепей в дуплексе обеспечивает пространственную ориентацию азотистых оснований.

Двухцепочечную структуру ДНК стабилизируют: водородные связи между парами оснований, электростатические взаимодействия с неорганическими противоионами, гидрофобные взаимодействия в плотно упакованных азотистых основаниях

При различных химических или физических воздействиях двухцепочечная ДНК может быть раскручена. Самый простой способ – нагревание. Повышение оптической плотности при 260 нм при нагревании известно как гиперхромный эффект.

Рассмотрим ДНК с точки зрения ее способности хранить информацию.

Четкие аргументы в пользу генетической функции ДНК были получены следующими способами. Установлено, что количество ДНК в любой клетке и организме строго постоянно и не зависит от условий внешней среды. От питания или от воздействия различных факторов, влияющих на метаболизм клетки, эта особенность ДНК вполне соответствует предполагаемым свойствам генетического материала. Содержание ДНК в клетке увеличивается с возрастанием сложности клетки и, следовательно, с возрастанием количества генетической информации в клетке.

Одним из наиболее веских аргументов в пользу генетической функции ДНК служат данные о том, что препараты ДНК, выделенные из различных тканей одного и того же организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав. У различных видов он отличен. Таким образом, нуклеотидный состав ДНК у организма данного вида не зависит от возраста организма, условий питания и внешней среды. ДНК близких видов имеют сходный нуклеотидный состав, а эволюционно отдаленные организмы заметно отличаются один от другого по своему нуклеотидному составу.

Число пиримидиновых остатков равно числу пуриновых остатков.

Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК состоит из двух правозакрученных полинуклеотидных цепей, имеющих общую ось. Две полинуклеотидные цепи в двойной спирали ДНК отличаются одна от другой как последовательностью оснований, так и нуклеотидным составом. Цепи комплементарны друг другу. Модель Уотсона и Крика объясняет, что репликация ДНК в клетке происходит в результате разделения двух цепей и последующего синтеза двух новых..

Клетки эукариотов содержат в ядре несколько или много хромосом (в зависимости от вида организма) причем в каждой хромосоме содержится одна или несколько молекул ДНК. В митохондриях эукариотических клеток содержится небольшое количество ДНК, эта ДНК отличается от ядерной. Митохондриальная ДНК – двухцепочечная, обычно кольцевая.

Денатурация двухцепочечной спирали ДНК происходит:

При экстремальных значениях рН, при нагревании, приуменьшении электрической постоянной водной среды, при обработке амидами карбоновых кислот, мочевиной. В процессе денатурации все ковалентные связи в ДНК сохраняются. Таким образом, можно сделать вывод, что ДНК представляет собой генетический материал хромосом.

Как же происходит репликация ДНК? Каковы ее ферментативные механизмы? При участии фермента ДНК полимеразы катализируется система синтеза. Эта реакция протекает только в присутствии некоторого количества преобразованной ДНК. В ее отсутствие фермент неспособен синтезировать полимер.

Преобразованная ДНК также служит и матрицей на которой фермент строит параллельную цепь ДНК, комплементарную преобразованной ДНК по составу и последовательности оснований.

Что такое репарация ДНК?

Имеются данные, что есть ферменты, способные ликвидировать разрывы, возникающие в ДНК под влиянием случайных воздействий. Такие разрывы, вероятно, реплицируются ферментом ДНК-лигазой. Также имеются данные, что репликация ДНК, чуждых данной клетке, предотвращается вследствие разрушения эндогенными нуклеазами.

Цикл элонгации протекает в 3 этапа:

Вновь поступающая аминоацил тРНК связывается с аминоацильным участком полного рибосомного комплекса, расположенного возле следующего по порядку кодона мРНК.

Для этого процесса связывания требуется ГТФ и специфический цитоплазматический белок (фактор Т).

В результате взаимодействия аминогруппы аминоацил тРНК образуется пептидная связь. Освобождающаяся транспортная РНК остается связанной в пептидильном участке. Для этого требуется фермент пептидилтрансфераза, который является частью субъединицы рибосомы.

На 3 этапе цикла элонгации пептидил тРНК физически перемещается с аминоацильного участка на пептидильный, вытесняя из него “пустую” тРНК. На этой стадии необходим специфический белок – фактор G. При каждом акте транслокации пептидил тРНК с рибосомой связывается новый комплекс фактора G с ГТФ. Одновременно с транслокацией пептидил тРНК происходит и транслокация мРНК вдоль рибосомы на один колдон.

Завершение синтеза полипептидной цепи и ее отделение от рибосомы происходит путем, отдельные этапы которого еще не изучены. Сигнал об окончании синтеза полипептидной цепи подается 3 специальными терминирующими кодонами в мРНК. Отделение полипептидил тРНК от рибосомы по достижении терминирующего кодона осуществляется при помощи специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Затем рибосома сходит с мРНК и после диссоциации на субъединицы может включаться в новый цикл.

Регуляция синтеза белка

Основным условием существования любых живых организмов является наличие тонкой, гибкой, согласованно действующей системы регулирования, в которой все элементы тесно связаны друг с другом. В белковом синтезе не только количественный и качественный состав белков, но и время синтеза имеет прямое отношение к многим проявлениям жизни.

Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное количество разнообразных белков, однако они никогда не синтезируют все белки. Количество и разнообразие определяется долей их участия в метаболизме. Синтез белка контролируется аллостерически. Регулируется внешними и внутренними условиями.

Жакоб и Мано сформулировали гипотезу, связывающую функционирование структурных и регуляторных генов. Эта гипотеза позволяет объяснить как индукцию, так и репрессию ферментов на основе одного механизма.Согласно этой гипотезе репрессия ферментов – основной процесс, тогда как индукция – снятие репресии.

Согласно теории Жакоба и Мано в биосинтезе белка участвуют 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор и ген-оператор.

Структурные гены определяют первичную структуру синтезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК служат основной матрицей для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому. Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК контролируется определенным участком, называемым оператором. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования структурных генов.

Структурный ген кодирует аминокислотную последовательность данного фермента, синтез этого фермента происходит только в том случае, если регуляторный ген не репрессирует его, т.е. этот ген неактивен. Для объяснения репресcии было постулировано, что регуляторный ген кодирует аминокислотную последовательность специфического белка, названного репрессором. Молекула репрессора диффундирует от рибосом, где она синтезируется и образует специфический комплекс с участием ДНК, соответствующим структурному гену того фермента, который контролируется репрессором. Согласно гипотезе, молекула репрессора содержит центр связывания, специфичный для участка ДНК. Молекула репрессора обычно находится в свободном (активном “ состоянии, в котором она связывается с оператором, подавляя транскрипцию структурного гена. Если же в клетке присутствует индуктор, то образуется неактивный комплекс репрессор-индуктор, который неспособен связываться со специфическим участком ДНК (оператором) и на способен ингибировать транскрипцию структурного гена. В результате начинается транскрипция структурного гена и происходит синтез фермента. Согласно гипотезе взаимодействие между репрессором и индуктором обратимо. Таким образом, молекула репрессора должна иметь 2 специфических центра связывания: один для индуктора и другой для оператора. Центр связывания с оператором активен только в том случае, если центр связывания с индуктором свободен. Для объяснения репресии было постулировано, что в таких системах молекула репрессора в свободном состоянии неактивна и становится активной после связывания с репрессирующим метаболитом, получившим название корепрессора. Комплекс репрессор-корепрессор связывается с операторным локусом соответственного гена и, таким образом, подавляет синтез матричной РНК.

Итак гипотеза Жакоба и Мано постулирует существование двух классов белковых репрессоров: один из них используется в индуцибельном, а другой – в репрессибельных системах. Оба типа репрессоров содержат по 2 участка связывания, один из которых специфичен для операторного локуса

Жакоб и Мано обобщили свою модель регуляции белкового синтеза для случая координированной репрессии, при которой один и тот же репрессор может подавлять синтез группы ферментов и для случая координированной индукции, при которой несколько ферментов могут быть индуцированы одним и тем же индуктором.

Таким образом, концентрация некоторых ферментов возрастает при добавлении субстратов этих ферментов, это явление называется адаптацией или индукцией фермента. Концентрация ферментов может уменьшаться в присутствии конечных продуктов реакций, катализируемых этими ферментами, этот эффект называется репрессией ферментов. Индукция и репрессия ферментов взаимосвязаны. Индукция – это снятие репрессии.

Индуцибельные и репрессибельные системы контролируются генами трех типов:

Это структурные гены, кодирующие аминокислотную последовательность фермента

Регуляторные гены, кодирующие белок-репрессор

Ген-оператор , с которым специфически связывается репрессор.

Молекулы индуцирующего агента обладают способностью специфически связываться с белком репрессором. Образующийся при этом комплекс репрессор индуктор уже не может взаимодействовать с оператором, что приводит к активации транскрипции структурного гена. Группа функционально взаимосвязанных генов называется опероном. Гены, входящие в состав данного оперона, активируются или репрессируются одновременно. Каждый оперон имеет оператор.

Деятельность оперона находится под контролем гена-регулятора. Поскольку структурные гены и ген-регулятор находятся на разных участках цепи ДНК, связь между ними осуществляется при помощи вещества посредника, репрессора. Репрессор имеет сродство к оператору и обратимо соединяется с ним в комплексе. Образование комплекса блокирует синтез мРНК, а следовательно синтез белка. Таким образом, функция гена –регулятора – “запрещать” деятельность оперона, синтезирующего мРНК. Репрессор обладает способностью строго специфически связываться с определенными низкомолекулярными веществами, называемыми индукторами или эффекторами. Когда такой индуктор соединяется с репрессором, последний теряет способность связываться с геном оператором, который выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК

В живых клетках должны функционировать точно запрограммированные механизмы, обеспечивающие нужные соотношения между количествами различных синтезируемых белков. Например, число ферментов, катализирующих реакции основного метаболического пути, должно превышать число молекул ферментов, ответственных за синтез коферментов, которые необходимы в следовых количествах. Возможность регуляции скорости синтеза различных ферментов позволяет клетке экономить РНК и белки.

Таковы теоретические модели и гипотезы о природе регуляторных процессов биосинтеза белка.

Генетический код

Одной из наиболее интригующих головоломок молекулярной биологии было выяснение вопроса каким образом четырехбуквенный “язык” ДНК, содержащий всего 4 разных азотистых основания (А,Г,Ц,Т) переводится на двадцатибуквенную речь белков через образование м РНК. Из чего состоит код? Код не может состоять из одного нуклеотида, поскольку только 4 аминокислоты могут кодироваться. Также код не может быть дуплетным, комбинация двух нуклеотидов из четырехбуквенного “алфавита” не может охватить всех АК, т.к. подобных комбинаций 16 (4²=16), а в состав белка входят 20 АК.

Для кодирования всех АК белковой молекулы нужен триплетный код, где число возможных комбинаций – 64 (4³=64). Генетический код для АК является вырожденным, это означает, что большинство АК кодируется несколькими кодонами. Вырожденность кода неодинакова для разных АК. Вырожденность чаще всего касается только третьего нуклеотида, в то время как почти для всех АК первые 2 нуклеотида являются общими. Она несет биологический смысл:, т.к. в процессе мутации различные АК могут быть заменены, наиболее ценные отбираются в процессе эволюции.

Другая отличительная черта генетического кода – отсутствие “знаков препинания”, т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами код является линейным, однонаправленным и непрерывающимся. Это обеспечивает синтез в высшей степени упорядоченной последовательности молекулы белков.

Третья существенная особенность кода состоит в том, что 3 триплета не кодируют аминокислоты, они используются в качестве окончания синтеза (терминации) полипептидной цепи.

Код универсален для всех живых организмов, от инфузорий до человека. Можно заключить, что “генетический язык” в основном, одинаков для всех видов, но возможны небольшие видовые отклонения, возникшие, вероятно, в процессе эволюции и дифференцировки.

Таким образом, в ДНК имеются 4 разных основани, первоначально кодирующих всю информацию. Триплетность кода приводит к существованию 64 разных тринуклеотидных последовательностей (4*4*4). Природа кода триплетна – каждая аминокислота программируется в мРНК тремя основаниями, названными кодонами. Из простых математических вытекало, что каждая АК кодируется небольшим числом последовательно расположенных нуклеотидных остатков в цепи ДНК. Для кодирования одной АК требуется более одного нуклеотида, поскольку в ДНК обнаружено 4 типа оснований, а в белках 20 разных аминокислот. Далее, поскольку из 4 нуклеотидов (А,Г,Ц,Т) возможно лишь 16 различных сочетаний по 2 нуклеотида (4²=16), кодовое “слово” для АК должно состоять более чем из двух букв. При помощи четырех разных оснований, взятых в комбинациях по три, возможно закодировать 64 (4³) различные АК. Таким образом, триплетный код достаточен для кодирования всех 20 аминокислот, входящих в состав природных белков.

Характерные особенности генетического кода.

Генетический код вырожден, что означает, что почти каждой АК (кроме триптофана и метионина) соответствует более чем один кодон. Термин вырожденный, не означает неточный, поскольку один кодон не может кодировать более одной АК. Вырожденность генетического кода имеет важное биологическое значение. Существует неравномерность вырожденности кода. Например, код для серина и лейцина вырожден шестикратно, т.е. имеется 6 кодонов для серина и 6 - для лейцина, тогда как для многих других аминокислот (глутаминовая кислота, тирозин, гистидин) код характеризуется лишь двукратной вырожденностью.

Во многих случаях вырожденность затрагивает только третье основание в кодоне. Например, аланин кодируется : 2 первых основания одинаковы для всех четырех кодонов аланина. Иногда, если 2 аминокислоты имеют кодоны, в которых 2 первых основания одинаковы, то третье может быть только пурин или пиримидин.

Другая существенная особенность генетического кода состоит в том, что в нем полностью отсутствуют “сигналы” указывающие на конец и начало другого (т.е. знаки препинания). Поэтому считывание должно начинаться с определенного места молекулы матричной РНК и продолжаться последовательно от одного триплета к другому, иначе нуклеотидная последовательность во всех кодонах окажется измененной, что в свою очередь приведет к образованию белка с искаженной АК последовательностью.

Третья существенная особенность кода состоит в том, что из 64 триплетов –3 не кодируют АК. Они используются в качестве сигнала окончания синтеза (терминации полипептидной цепи).

Универсальность кода. Триплеты, кодирующие одну и туже АК одинаковы у человека, растений табака и инфузорий. Ряд экспериментов подтверждает вывод об универсальности кода. Можно заключить, что “генетический язык” в основном одинаков для всех видов, но возможны небольшие видовые отклонения, возникшие, вероятно в процессе эволюции и дифференцировки.

Вырожденность генетического кода обеспечивает организмам селективное преимущество. Если бы 20 АК кодировалось только 20 из 64 возможных кодонов, то большинство мутаций в кодирующих триплетах приводило бы к возникновению бессмысленных триплетов на кодирующих АК. При существующем генетическом коле мутация вызывает появление кодона с измененным смыслом, кодирующего другую АК или кодона синонима. Мутантный белок при этом оказывается не только функционально полноценным, но и даже полезным. Вырожденность кода способствует совершенствованию генома и его продуктов, поскольку в результате мутации происходят различные АК замены из которых в процессе эволюции отбираются наиболее ценные для выживания.

Несмотря на универсальность кода, относительное содержание четырех оснований в ДНК может существенно варьировать от вида к виду.

Как мы уже отмечали, в генетическом коде отсутствуют “запятые” между соседними кодонами, но имеются специальные знаки, отмечающие начало и конец полипептидной цепи.

Три триплета ( УАГ, УАА И УГА) вообще не кодируют АК. Они идентифицированы как сигналы терминации, т.е. окончания синтеза полипептидной цепи. В полипептидных цепях некоторых белков содержатся АК, для которых нет соответствующих “слов” в генетическом коде. Эти “некодируемые” АК являются производными “обычных” АК, которым соответствуют определенные кодоны. Эти редкие АК образуются в результате ферментативной модификации из АК, производными которых они являются уже после того, как эти аминокислоты включились в полипепдидную цепь в соответствии с кодом.

ЛИТЕРАТУРА