Определение количества семян необходимых для оптимального урожая егэ

В любой клетке путь реализации генетической информации начинается с транскрипции, то есть с синтеза молекулы РНК на основе ДНК матрицы. РНК -полимераза является основным действующим ферментом этого процесса. Именно она строит цепь рибонуклеотидов, которая необходима для белкового синтеза.

Для всех представителей клеточной формы жизни характерен только один тип РНК-полимеразы — ДНК-зависимая. Однако существует фермент, способный синтезировать рибонуклеиновую кислоту на основе РНК-матрицы. Такая разновидность фермента (РНК-зависимая РНК-полимераза) встречается только у вирусов.

Основные сведения о ферменте

Любая РНК-полимераза представляет собой белок, способный связываться с молекулой нуклеиновой кислоты и, двигаясь по ней, катализировать образование фосфодиэфирной связи между рибонуклеотидами. Этот процесс требует затраты энергии.

Материалом для синтеза РНК служат рибонуклеозидтрифосфаты (аденин, гуанин, цитозин и урацил), которые подбираются комплементарно матричной последовательности. Чтобы начать синтезировать РНК, полимераза должна связаться с особой последовательностью в геноме, которая называется промотором. Этот участок является посадочной площадкой для фермента.

Любой транскриптон обязательно содержит промотор, предваряющий кодирующую последовательность. Именно на этапе присоединения РНК-полимеразы к промотору происходит регуляция экспрессии определенных генов. От того, насколько успешно фермент с ним про взаимодействует, зависит, будет ли идти транскрипция.

Роль РНК-полимеразы в транскрипции

Главное предназначение этого фермента заключается в синтезе полинуклеотидной последовательности на основании матричной цепи. Для выполнения этой задачи РНК-полимераза осуществляет целый ряд функций, включая:

• распознавание промотора;
• подбор нуклеотидов в цепь по комплементарному принципу;
• замыкание фосфодиэфирных связей между нуклеотидами;
• расплетание участка ДНК и разрезание двойной спирали;
• устранение ошибок в синтезированной цепи.

Последние две функции характерны только для сложно устроенных полимераз, работающих на основе ДНК.

Разновидности РНК-полимераз

РНК-синтезирующие ферменты различаются не только по типу матрицы, на которых они работают (ДНК либо РНК), но и по сложности строения. На основании этого критерия выделяют 2 группы РНК-полимераз:

• Состоящие из одной субъединицы — характерны для некоторых фагов, а также для митохондрий и хлоропластов эукариот. В последнем случае односубъединичными являются только те полимеразы, которые кодируются малыми ядерными ДНК, а не самими органеллами.
• Включающие в состав несколько субъединиц.

Простые полимеразы не требуют участия регуляторных элементов и работают на небольших геномах. Функционал сложных полимераз гораздо шире. Каждая субъединица в составе фермента выполняет свою задачу.

Все РНК-полимеразы обладают общим принципом действия, но различаются по строению и условиям функционирования, которые у разных таксонов живых организмов не одинаковы. Исходя из этого выделяют РНК-синтезирующие ферменты:

• прокариот (бактерий и архей);
• эукариот;
• вирусов.

Отдельно классифицируют РНК-полимеразы эукариот. Эти организмы имеют несколько разновидностей фермента, предназначенных для синтеза разных типов РНК.

РНК-полимеразы прокариот

У бактерий для все виды РНК синтезируются одним видом полимеразы. Последняя представляет собой многосубъединичный комплекс, в котором выделяют 2 составных части:

• кор-фермент или основной фермент синтезирует цепь РНК, состоит из 5 протомеров (β, β ` , ω и 2 субъединицы α);
• вспомогательная субъединица σ — узнает промотор и помогает полимеразе связаться с ним, после чего сразу отделяется.

Комплекс из кор-фегмента и σ-фактора называют холоферментом.

РНК-синтезирующие ферменты эукариотической клетки

Эукариотические РНК-полимеразы устроены значительно сложнее и в их состав входит большее количество субъединиц. Однако, для работы этих ферментов требуется огромное количество белковых факторов. Последние помогают полимеразам распознавать и связываться с промотором (полимеразе бактерий достаточно субъединицы сигма), а также участвуют в процессах элонгации и терминации.

Различают три вида эукариотических РНК-полимераз: Pol l, Pol ll и Pol lll. Все они представляют собой сложные гетеромультимерные комплексы с молекулярной массой 0,5-0,7 Да. Скорость работы эукариотических полимераз составляет 20 нуклеотидов в секунду.

характеристика РНК-полимераз у эукариот

матричные РНК (мРНК), малые ядерные РНК (мяРНК)

Из всех типов фермента только РНК-полимераза ll синтезирует молекулы, служащие прототипом для построения всех белков, — матричные РНК.

Механизм действия фермента

РНК-полимераза является ключевым ферментом на всех стадиях транскрипции (инициации, элонгации и терминации). На первом этапе полимераза связывается с промотором.

Синтез цепи РНК происходит на стадии элонгации, во время которой полимераза скачкообразно движется по матричной цепи, избирательно катализируя присоединение новых рибонуклеотидов (в цепь включаются только те азотистые основания, которые комплементарно спариваются с ДНК/РНК, образуя водородные связи). Цепь удлиняется в направлении от 5 к 3 концу.

Фермент имеет канал, через который поступают рибонуклеотидфосфаты, активный центр и канал выхода РНК. Замыкание фосфодиэфирной связи осуществляется за счет гидролиза макроэргических соединений. Этот процесс осуществляется в активном центре фермента. Движение РНК-полимеразы имеет скачкообразный характер.

Механизм транскрипции на определенных этапах напоминает процесс удвоения генетического материала (репликации). Действия ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы очень похожи, поскольку они катализируют одну и ту же химическую реакцию. Однако, в работе этих ферментов есть ряд существенных отличий. Среди них:

• для работы РНК-полимеразы не нужна затравка в виде праймера;
• материалом для синтеза РНК служат не дезоксирибонуклеотиды, а рибонуклеотиды;
• в процессе продвижения фермента по матричной цепи происходит разъединение гибрида между матрицей и синтезированным продуктом, тогда как во время репликации он сохраняется.

Синтез РНК происходит антипараллельно матричной последовательности. Работающие на ДНК полимеразы по ходу продвижения раскручивают перед собой двойную спираль и разделяют цепи. Позади фермента синтезированная РНК сразу вытесняется, а структура ДНК восстанавливается.

• 366
• 0,3
• 0
• 1

Электронная микрофотография вирионов crAss-подобных фагов

Тщательное изучение вирусных белков, даже самых многочисленных, подчас преподносит исследователям множество сюрпризов. Российские и американские ученые детально изучили РНК-полимеразу бактериофага φ14:2, входящего в семейство сrAss-подобных фагов — самой многочисленной группы вирусов в желудочно-кишечном тракте человека. Этот фермент упаковывается в вирионы вместе с вирусным геномом и участвует в транскрипции генов фага в начале инфекции. Исследователям удалось получить кристаллическую структуру РНК-полимеразы фага φ14:2, которая, как оказалось, очень похожа на эукариотические РНК-полимеразы, задействованные в РНК-интерференции. Авторы работы высказывают предположение, что эукариотические РНК-полимеразы, участвующие в РНК-интерференции, позаимствованы у фага, который, вероятно, инфицировал бактерию — предка митохондрий.

Чтобы совершить удивительное открытие в мире вирусов и микроорганизмов, вовсе не обязательно спускаться в океанские глубины, покорять горные вершины или забираться в другие труднодоступные места: зачастую необычные вещи спрятаны буквально у нас под носом. Так обстоят дела и с crAss-подобными бактериофагами , которые обитают в кишечнике каждого человека, но до сих пор оставались совершенно не изученными. Лишь в 2014 году, ученые, анализируя метагеном кишечного микробиома человека, обнаружили в нем последовательности ДНК, которые удалось собрать в геном длиной 100 тысяч пар оснований. Оказалось, что этот геном принадлежал ранее неизвестному бактериофагу, который получил название crAssphage (по названию метода, используемого для сборки генома — cross assembly) [1]. Выяснилось также, что crAssphage — это самый распространенный фаг в популяции человека. На его геном приходится до 90% всех ридов (прочтений), получаемых при секвенировании вирусной фракции микробиома кишечника человека [1]. Позже группа Евгения Кунина открыла, что в природе существует множество фагов, родственных crAss-фагу, но никто из них не был изучен в лабораторных условиях [2]. И это неудивительно, ведь большинство crAss-подобных фагов не культивировали в лаборатории, и мы знаем о них лишь из исследований метагеномов. Изучение crAss-подобных фагов представляет огромный интерес, поскольку они — самые многочисленные вирусы в кишечнике человека и, безусловно, оказывают влияние на наш микробиом . Кроме того, большинство генов crAss-подобных фагов мало на что похожи и кодируют новые, пока неизвестные белки.

Российские и американские ученые, среди которых специалисты Сколковского института науки и технологий, нашли crAss-подобный вирус — φ14:2, удобно культивируемый в лаборатории, и, используя его как модель, разобрались, каким образом crAss-подобные фаги транскрибируют свои гены [8]. Фаг φ14:2 поражает бактерию Cellulophaga baltica. Один из его генов кодирует большой белок gp66 (2180 аминокислотных остатков, а. о.), аминокислотная последовательность которого содержит маленький участок (всего 50 а. о.), похожий на фрагмент одной из субъединиц клеточных РНК-полимераз. Этот участок включает мотив, содержащий три абсолютно консервативных остатка аспартата, которые в многосубъединичных РНК-полимеразах координируют ионы магния и образуют каталитический центр фермента. Чтобы изучить функции gp66 и его ортологов в других crAss-подобных фагах, ученые экспрессировали ген белка gp66 в клетках кишечной палочки E. coli, очистили белок и показали, что он действительно может синтезировать РНК по матрице ДНК в присутствии ионов магния. И это несмотря на то, что gp66 похож на обычные РНК-полимеразы лишь своим крошечным фрагментом (менее 3% от всей величины белка). Вот уж поистине иголку в стоге сена нашли и предсказали биоинформатики!

Самый достоверный и точный способ узнать, как именно функционирует белок, — разрешить его пространственную структуру. Но для этого необходимо получить кристаллы белка, что часто становится весьма нетривиальной задачей, особенно для таких больших белков, как gp66. Однако исследователи смогли кристаллизовать gp66 и получить его структуру с разрешением в 3,5 ангстрем с помощью рентгеноструктурного анализа.

По структуре gp66 оказался наиболее близок к РНК-полимеразе QDE-1 грибка Neurospora crassa, которая участвует в синтезе малых интерферирующих РНК (рис. 1) [9]. Стоит, однако, отметить, что высокая степень сходства между gp66 и эукариотическими РНК-полимеразами, синтезирующими малые интерферирующие РНК, наблюдается лишь в областях белков, критически важных для выполнения основных функций. РНК-полимераза gp66 значительно больше, чем QDE-1, и имеет много дополнительных доменов с пока неизвестными функциями.

Рисунок 1. Структура gp66 фага φ14:2 (а) и РНК-полимеразы QDE-1 N. crassa [10] (б). Серым цветом окрашены различающиеся структурные элементы, одинаковыми цветами — аналогичные элементы структуры.

РНК-полимераза N. crassa, наиболее близкая к gp66, и ее ортологи широко распространены у современных эукариот и, вероятно, имелись у последнего их общего предка [11]. Эти белки первоначально были описаны как РНК-зависимые РНК-полимеразы, хотя в дальнейшем оказалось, что in vitro они транскрибируют однонитевую ДНК намного эффективнее, чем РНК [12]. Авторы исследования предполагают, что РНК-полимеразы этой группы появились у эукариот благодаря вирусу, инфицирующему бактериального предка митохондрий. К слову, похожий сценарий заимствования РНК-полимераз у вирусов уже был описан. Так, транскрипционный аппарат митохондрий, по всей вероятности, произошел от РНК-полимеразы T7-подобных фагов, не родственной клеточным многосубъединичным РНК-полимеразам и полимеразам crAss-подобных фагов.

Что еще интересного можно сказать про РНК-полимеразы crAss-подобных фагов? Судя по всему, это необычайно гибкие белки, способные к денатурации и структурным перестройкам. Так, при инфицировании бактериальной клетки gp66, состоящий из 2180 а. о., ухитряется протиснуться через канал в хвосте фага диаметром всего около 4 нм. Скорее всего, для этого РНК-полимераза gp66 полностью разворачивается. Попав в цитоплазму клетки-хозяина, gp66 должен приобрести свою нативную структуру. Интересно, что структура, которую получили исследователи, имеет конформацию каталитического центра, ранее не описанную для других РНК-полимераз, и в такой форме не может поддерживать катализ. Вероятно, это способ регулировать активность РНК-полимераз crAss-фагов на поздних стадиях инфекции, и переход в активную форму происходит при упаковке РНК-полимеразы в капсид или во время ее выхода в цитоплазму клетки.

Профессор Центра наук о жизни Мария Соколова, руководившая исследованием, отмечает:

«Это первая работа, где изучили, как происходит развитие инфекции crAss-подобным фагом. До сих пор были опубликованы работы, где изучали распространенность crAss-подобных фагов, их связь с какими-либо заболеваниями и т.п. В одной работе crAss-подобного фага выделили из фекалий человека, но не продвинулись дальше масс-спектрометрического анализа его вирионов. Мы же разобрались в том, как транскрибируются гены фагов этой группы, используя ф14:2 как модельный организм. Кроме того, полученная нами структура — это первая структура РНК-полимеразы, которая имеет общее происхождение с многосубъединичными РНК-полимеразами клеточных организмов, но настолько сильно от них отличается, что совершенно неясно, как она функционирует! Существует какой-то необычный механизм регуляции активности этой РНК-полимеразы, над определением которого мы сейчас работаем. Это очень интересно с точки зрения эволюции РНК-полимераз и процесса транскрипции в целом. Ну и наконец, РНК-полимераза вируса ф14:2 — это первый белок crAss-подобных фагов, для которого была экспериментально установлена функция. Бионформатические подходы, конечно же, очень важны и без них бы мы ничего не знали, но без эксперимента они дают не более чем предсказание.

Идентификаторы номер ЕС 2.7.7.48 Количество CAS 9026-28-2 Базы данных IntEnz вид IntEnz BRENDA запись BRENDA ExPASy вид NiceZyme KEGG запись KEGG MetaCyc метаболический путь PRIAM профиль PDB структуры RCSB PDB PDBe PDBsum Джин Онтология Amigo / QuickGO

РНК-зависимой РНК — полимеразы ( RDRP ), ( РДР ), или РНК — репликазы , является ферментом , который катализирует репликацию из РНК из РНК — матрицы. Это в отличие от типичного ДНК-зависимой РНК — полимеразы , который катализирует транскрипцию РНК из ДНК матрицы.

РНК-зависимой РНК — полимеразы (RdRp) является одним из важнейших белок , кодируемый в геномах всех РНК-содержащих вирусов, не имеющих стадии ДНК , т.е. только РНК -содержащих вирусов . Она катализирует синтез РНК — нити , комплементарной данной матрицы РНК. Процесс репликации РНК представляет собой механизм , в два этапа. Во- первых, на этапе инициации синтеза РНК начинается на или вблизи конца 3′ — РНК — матрицы с помощью праймера -независимый ( De Novo ), или механизм праймера зависит , который использует вирусный геном белка-сшитый (ВПГ) праймера , De Novo инициация состоит в добавлении нуклеозидтрифосфата (NTP) на 3′-ОН от первого инициирующего NTP. В течение следующей так называемой фазы элонгации, это nucleotidyl реакция передачи повторяется с последующим НПТОМ для создания комплементарного РНКА продукта.

содержание

история

Вирусное RdRPs было обнаружено в начале 1960 — х лет из исследований по mengovirus и вирусу полиомиелита , когда было замечено , что эти вирусы не были чувствительны к актиномицин D , препарат , который ингибирует синтез РНКА клеточной ДНК-направленные. Отсутствие чувствительности предположил , что есть вирус-специфический фермент , который может копировать РНК из РНК — матрицы , а не из шаблона ДНК.

Многие RdRPs тесно связаны с мембранами и, следовательно, трудно учиться. Наиболее известными являются RdRPs polioviral 3Dpol, вирус везикулярного стоматита L, и вирус гепатита С NS5B белка.

Многие эукариоты также RdRPs , участвующих в РНК — интерференции ; они усиливают микроРНК и малые временные РНК и производят двухцепочечную РНК с использованием малых интерферирующих РНК в качестве праймеров. На самом деле эти же RdRPs, которые используются в защитных механизмов может быть захвачено РНК вирусов в их пользу.

RdRps высоко консервативны во всех вирусах и даже связан с теломеразой , хотя причина столь высокого сохранения в таких разнообразных организмах , представляет собой непрерывный вопрос 2009 года Сходство привело к предположению , что вирусный RdRps является предком теломеразы человека.

Состав

Все РНК-направленная РНК-полимераза, и многие ДНК-полимераза направлены, используют складку, чья организация была уподоблена формой правой руки с тремя поддоменов называемых пальцами, ладонью и большим пальцем. Только пальмовое подобласть, состоит из четырех многожильных антипараллельной бета-лист с двумя альфа-спиралей, хорошо консервативными среди всех этих ферментов. В RdRp, ладонь подобласть включает в себя три хорошо консервативные мотивы (А, В и С). Мотив А (Dx (4,5) -D) и мотив С (ДДГ) пространственно сопоставляются; остатки Asp этих мотивов подразумеваются в связывании Mg2 + и / или Mn2 +. Asn остаток мотива B участвует в выборе рибонуклеозидтрифосфаты более дНТФ и, таким образом, определяет, является ли синтезируется РНК, а не ДНК. Организация домена и 3D-структура каталитического центра широкого спектра RdPps, даже те, с общей гомологии последовательности низкой, сохраняются. Каталитический центр образован несколько мотивов, содержащего ряд консервативных аминокислотных остатков.

классификация

Есть 4 надсемейства вирусов, которые охватывают все РНК-содержащие вирусы без стадии ДНК:

• Вирусы, содержащие положительно-нити РНК или двухцепочечной РНК, за исключением ретровирусов и Birnaviridae: вирусные РНК-направленной РНК-полимеразы, в том числе всех положительных-нить РНК-вирусов, без каких-либо стадии ДНК, двухцепочечную РНК-вирусов, а также Cystoviridae, Reoviridae, Hypoviridae, Partitiviridae , Totiviridae семьи
• Mononegavirales (отрицательные пряди РНК-вирусы с несегментированными геном)
• Отрицательные пряди РНК-вирусы с сегментированными геномами, т.е. ортомиксовирусами (в том числе гриппа А, В и С, вирусами Thogotoviruses и вирус анемии инфекционного лососевой), аренавирусы, Bunyaviruses, Хантавирусы, Nairoviruses, Phleboviruses, Tenuiviruses и тосповирусы
• дсРНК вирус семья Birnaviridae

РНК-полимеразы, направленной РНК в первой из указанных выше надсемейств можно разделить на следующие три подгруппы:

• Вся положительная нитей РНК эукариот вирусы без стадии ДНК
• Все РНК-содержащие бактериофаги -Есть два семейства РНК-содержащих бактериофагов: Leviviridae (положительные оцРНК фаги) и Cystoviridae (дцРНК фаги)
• дсРНК вирус семья Reoviridae

Транскрипции РНК аналогична , но не такой же , как ДНК — репликации Флавивирусы производят полипротеин из генома оцРНК. Полипротеина расщепляется на ряд продуктов, одним из которых является NS5. Рекомбинантный тип вируса денге 1 NS5 белок экспрессируется в кишечной палочки проявляет РНК-зависимой РНК — полимеразной активностью. Эта РНК-полимераза направленной РНК обладает рядом коротких областей и мотивы , гомологичных к другим РНК-направленной РНК — полимераз.

В прошлой части эссе вы познакомились с химиотерапевтическими стратегиями, которые могут помочь бороться с вирусными заболеваниями, блокируя возбудителя на ранних этапах его попадания в клетку.

Однако урон вирусу современная химия может нанести и тогда, когда он собрался размножаться, то есть заниматься тем единственным делом, которое отличает его от неживой материи.

Хочу сразу сказать, что вирусы — существа бесполые, так что о сексе нам говорить не придётся. Ну только если в контексте продирания сквозь кучу новой информации. Этакое химико-биологическое чтиво с налётом BDSM.

Как вы поняли из предыдущей части, вирусы, несмотря на морфологическое сходство, очень неоднородны в своей физиологии, т. е. в том, как они взаимодействуют с клеткой организма хозяина.

Эта разнородность, т. е. множество используемых этими организмами жизненных стратегий, ещё лучше видна при переходе к рассмотрению следующей точки возможного лекарственного приложения противовирусных препаратов — их размножению.

Размножение вирусов сводится к тиражированию их нуклеиновой кислоты (НК). Часть вирусов, такие как ВИЧ и вирус гриппа, высвобождает НК прямо в цитоплазму клетки, а часть вирусов доставляет её непосредственно в ядро. Это первый пример разнообразия их внутриклеточного поведения, которого, правда, мы касаться не будем.

Гораздо важнее то, какая именно НК и каким образом копируется. Дальше будет немного скучно, но без этого понять, как можно бороться с тем или иным вирусом на стадии его размножения, невозможно.

Прежде всего, спасибо стоит сказать нобелевскому лауреату Дэвиду Балтимору, который в 1971 году предложил классификацию вирусов в зависимости от содержащейся в них НК и способа её репликации.

Чтобы понять таблицу, надо дать несколько пояснений.

Репликация заключается в том, что НК первичного вириона, который попал в клетку-хозяина, становится матрицей для получения НК дочерних вирионов, которые выходят из клетки. Поскольку молекула НК является полимером, то фермент, который её копирует, именуется полимеразой. ДНК-полимераза синтезирует ДНК, а РНК-полимераза синтезирует РНК. Важно, что является матрицей для копирования. Если матрица — РНК, то фермент является РНК-зависимым, если матрица — ДНК, то ДНК-зависимым. Итого имеется 4 варианта.

Вирус — паразит, ему желательно по максимуму задействовать в своей жизнедеятельности аппарат клетки. Поскольку клетка размножается и синтезирует белок, то в ней тоже есть ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы. Но надо чётко помнить, что в клетке возможно только движение от ДНК к ДНК при размножении или от ДНК к РНК при транскрипции для синтеза белка. То есть в клетке могут быть только ДНК-зависимые ДНК-полимеразы или ДНК-зависимые РНК-полимеразы и никаких других.

Второй пример. Имеем однонитевую ДНК в вирионе. Значит фермент — ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Поскольку переход ДНК->ДНК в клетке возможен, то репликацию вирусной ДНК может вести как фермент клетки хозяина, так и фермент вируса. Можете потренироваться сами на вирусах других классов по классификации Балтимора.

Вирусы типов VI и VII по классификации Балтимора реплицируют свою НК не напрямую, а через интермедиат, то есть промежуточную молекулу НК. Посмотрите таблицу. Если вы поняли то, что написано выше, разобраться с этими вирусами вам тоже не составит труда. Скажу только, что РНК-зависимую ДНК-полимеразу, которую используют эти вирусы при манипуляциях с НК-интермедиатом, принято называть обратной транскриптазой.

Я надеюсь, что теперь вы самостоятельно сможете предложить химиотерапевтическую стратегию для лечения заболевания, вызванного тем или иным вирусом!

Стратегия это заключается в блокировании фермента, участвующего в репликации вируса. Поскольку вирус III-V классов содержит РНК, то надо блокировать РНК-зависимую РНК-полимеразу. В организме человека такого фермента нет, поэтому побочных эффектов, связанных с непосредственным действием лекарства, быть не должно (что не исключает побочных эффектов другого рода).

Если вирус содержит ДНК, то надо выяснить, чей фермент участвует в её репликации. Если это фермент хозяйской клетки, то, скорее всего, химотерапевтическую стратегию, основанную на подавлении репликации вируса, применять не стоит, так как будет заблокировано деление клеток, что может обернуться проблемой. Если же ДНК-зависимая ДНК-полимераза у вируса своя, то можно пробовать поискать её ингибитор.

Ну и, наконец, для вирусов VI и VII надо блокировать обратную транскриптазу.

Теперь, наконец-то, переходим к химии и рассмотрим примеры лекарственных молекул для лечения вирусных заболеваний, которые ингибируют полимеразы НК.

Помнящие биологию могут предположить, что в качестве таких неправильных ключей применительно к полимеразам НК могут быть использованы аналоги азотистых оснований, слагающих нуклеиновые кислоты, т. е. аналоги аденина, тимина, цитозина, гуанина и урацила.

Ладно, не буду томить, перейду к примерам.

Самый известный пример — ацикловир, который используется для лечения проявлений герпеса, вызываемого одноименным вирусом, содержащим двунитевую молекулу ДНК и собственную ДНК-зависимую ДНК-полимеразу.

Ацикловир очень похож на дезоксинуклеозид дезоксигуанозин.

Действует ацикловир так.

Второй очень известный и важный пример — это азидотимидин, или зидовудин, первое лекарство против СПИДа.

Азитотимидин, как это следует из названия, является аналогом дезокситимидина. Он также фосфорилируется, но уже клеточными ферментами, и блокирует работу вирусной РНК-зависимой ДНК-полимеразы, т.е. обратной транскриптазы, что останавливает размножение вируса.

И зидовудин, и ацикловир являются так называемыми нуклеозидными ингибиторами, так как похожи по строению на нуклеозиды, из которые строятся НК. Обратите внимание, что в обоих структурах модификации подверглась углеводная часть молекулы, а часть от азотистого основания осталась неизменной.

Конечно, для получения нуклеозидного ингибитора модифицировать можно не только углеводную часть молекулы, но и фрагмент азотистого основания. Примером может служить такой ингибитор обратной транскриптазы как эмтрицитабин, применяемый для терапии ВИЧ и гепатита В, вирус которого относится к VII классу по Балтимору и также использует обратную транскриптазу.

Однако ингибиторы полимераз НК совсем не обязательно должны быть похожими на их обычные субстраты, то есть нуклеозиды. Существует обширный класс ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы, структуры которых с выше перечисленными соединениями не имеют ничего общего.

Как действуют эти ингибиторы?

Ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы как раз и являются такими веществами. Они связываются с ферментом и изменяют его форму таким образом, что он больше не может выполнять свою функцию, это останавливает размножение вируса.

Посмотрите коротенький ролик, визуализирующий изменение формы молекулы обратной транскриптазы под действием невирапина. Обратите внимание, что в ходе такого изменения нарушается связь фермента с растущей цепью РНК (показана серым цветом в верхней части):

Итак, я привёл примеры 2 классов ингибиторов обратной транскриптазы, используемых для лечения болезней, вызываемых вирусами VI и VII классов по Балтимору, а также пример ингибитора вирусной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы, который блокирует размножение вируса I класса по Балтимору (вируса герпеса).

Что насчёт других РНК-содержащих вирусов?

Широко известным антивирусным препаратом, который применяется при сравнительно большом спектре заболеваний (гепатит С, геморрагические лихорадки и др.), является рибавирин.

Наличие в молекуле рибавирина фрагмента D-рибозы позволяет отнести его к аналогам рибонуклеозидов, из которых строится РНК, и предположить, что он может ингибировать РНК-зависимые РНК-полимеразы. Кроме того, считается, что рибавирин способствует и тому, чтобы РНК-полимераза делала в своей работе огромное количество ошибок. Это приводит к созданию РНК настолько нашпигованной большим количеством мутаций, что многие вирусные белки, структуру которых она кодирует, попросту оказываются нефункциональными, поэтому несущий её вирион не может сделать с клеткой ничего плохого.

Интересно, что рибавирин может угнетать активность и ДНК-содержащих вирусов. Однако причины такой активности до сих пор точно не установлены.

Вопросы для самоконтроля.

1. К какому классу по Балтимору может относится вирус, если спустя некоторое время после попадания его ДНК в клетку, в ней начинает обнаруживаться РНК? Какие уточнения нужны для того, чтобы дать однозначный ответ?
2. Известно, что в репликации вирусной НК изучаемого вами вируса принимает участие ферментный аппарат клетки хозяина. К каким классам по Балтимору он может относится? С какими трудностями может быть сопряжена разработка разработка ингибиторов репликации этого вируса?
3. Почему при терапии ВИЧ не применяют нуклеозидные ингибиторы-аналоги урацила?
4. Как выдумаете, почему практически все нуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы содержат в своей молекуле остаток сахара (модифицированной рибозы или дезоксирибозы)?
5. Как вы думаете, почему при терапии ВИЧ возникла необходимость в ненуклеозидных ингибиторах обратной транскриптазы?
6. Как вы думаете, к какому классу ингибиторов обратной транскриптазы (нуклеозидные или ненуклеозидные) относится препарат, структура действующего вещества которого изображена ниже?

7. Предложите механизмы действия рибавирина в отношении ДНК-содержащих вирусов.

Кэпирование и полиаденилирование иРНК называется процессингом (посттранскрип-ционной модификацией).

Кэпирование:

К 5 » концу всех эукариотических иРНК присоединяется во время процессинга остаток 7-метилгуанозина
с образованием уникальной 5 «à 5 » фосфодиэфирной связи
. Этот дополнительный нуклеотид получил название кэп
или колпачек.

Функции кэпа:

1. он защищает РНК от экзонуклеаз

2. помогает связыванию молекулы мРНК с рибосомой.

Полиаденилирование:

3″-конец также модифицируется сразу после завершения транскрипции. Специальный фермент – полиаденилат-полимераза
присоединяет к 3″-концу каждого РНК-транскрипта от 20 до 250 остатков адениловой кислоты (поли(А)). Полиаденилатполимераза узнает специфическую последовательность AAУAAA,
отщепляет от первичного транскрипта небольшой фрагмент в 11-30 нуклеотидов и затем присоединяет поли(А) последовательность. Принято считать, что такой «хвост» способствует последующему процессингу РНК и экспорту зрелых молекул мРНК из ядра.

По мере участия иРНК в процессах трансляции, длина полиА фрагмента уменьшается. Критическим для стабильности считается 30 адениловых нуклеотидов.

Вся совокупность ядерных транскриптов РНК-полимеразы II известна как гетерогенная ядерная РНК
(гяРНК).

Все 3 класса РНК транскрибируются с генов, которые содержат интроны
(неинформативные участки)и экзоны
(участки ДНК, несущие информацию). Последовательности, кодируемые интронами ДНК, должны быть удалены из первичного транскрипта до того, как РНК станет биологически активной. Процесс удаления копий интронных последовательностей получил название сплайсинга РНК
.

Сплайсинг РНК катализируется комплексами белков с РНК
, известными как «малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы»
(мяРНП, англ. small nuclear ribonucleic particles, snRNP
).Такие каталитические РНК носят название рибозимов.

Функции интронов:

· защищают функционально активную часть генома клетки от повреждающего действия химических или физических (лучевых) факторов

· позволяет при помощи так называемого альтернативного сплайсинга
увеличить генетическое разнообразие генома без увеличения числа генов.

Альтернативный сплайсинг:

В результате изменения распределение экзонов одного транскрипта во время сплайсинга возникают различные РНК и следовательно различные белки.

Известны уже более 40 генов, транскрипты которых подвергаются альтернативному сплайсингу. Например, транскрипт гена кальцитонина, в результате альтернативного сплайсинга дает РНК, которая служит матрицей для синтеза кальцитонина (в щитовидной железе) или специфического белка, отвечающего за вкусовое восприятие (в мозге). Еще более сложному альтернативному сплайсингу подвергается транскрипт гена -тропомиозина. Были идентифицированы по крайней мере 8 различных тропомиозиновых иРНК, полученных из одного транскрипта (см рис)

33 . Общая схема биосинтеза белка — необходимые предпосылки:

Информационный поток — схема передачи информации (центральная догма молекулярной биологии). Репликация и транскрипция ДНК — ферменты, механизм. Обратная транскрипция, роль ревертаз. Процессинг и сплайсинг иРНК. Характеристика генетического кода, кодон, антикодон.

Отличие биосинтеза белка от биосинтеза других молекул:

· Нет соответствия между числом мономеров матрицы и в продукте реакции (4 нуклеотида—20 аминокислот)

· Между мРНК (матрица) и пептидной цепью белка (продукт) нет комплементарности.

Общая схема биосинтеза белка — необходимые предпосылки:

· информационный поток
(передача информации от ДНК на РНК и на белок)

· пластический поток
(аминокислоты, мРНК, тРНК, ферменты)

· энергетический поток
(макроэрги АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ)

Созревание мРНК называется процессингом. Биологиче­ское значение процессинга в эукариотической клетке заключа­ется в возможности получения различных комбинаций экзонов гена, а значит, получения большего разнообразия белков, ко­дируемых одной нуклеотидной последовательностью ДНК.

Кроме того модификация 3’- и 5’-концов мРНК служит для регу­ляции ее экспорта из ядра, поддержания стабильности в цито­плазме и для улучшения взаимодействия с рибосомами.

Еще до завершения транскрипции происходит полиадени- лирование З’-конца (разд. 6.3). К 5″-концу мРНК посредством трифосфатного моста присоединяется 7-метилгуанозин, соеди­няющийся в необычной позиции 5″^5″, и происходит метилиро­вание рибоз двух первых нуклеотидов. Этот процесс называется кэпированием.

Процесс вырезания определенных нуклеотидных последо­вательностей из молекул РНК и соединения последовательно­стей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК, называется сплайсингом. В ходе сплайсинга из мРНК уча­стки, не кодирующие белок (интроны), удаляются, а экзоны — участки, кодирующие аминокислотную последовательность, со­единяются друг с другом, и незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой синтезируются (транслируются) белки клетки.

Для сплайсинга необходимо наличие специальных 3″- и 5″- последовательностей. Сплайсинг катализируется состоящим из РНК и белков большим комплексом, который называется сплайсосомой. Сплайсосома включает пять малых ядерных ри- бонуклеопротеидов (мяРНП) — и1, и2, и4, и5 и иб. РНК, вхо­дящая в состав мяРНП, взаимодействует с интроном и, возможно, участвует в катализе. Она принимает участие в сплайсинге интронов, содержащих в 5″ сайте ГУ, и АГ в 3″ сплайсинг-сайте.

Иногда мРНК в процессе созревания могут подвергаться альтернативному сплайсингу, который заключается в том, что имеющиеся в составе пре-мРНК интроны вырезаются в разных альтернативных комбинациях, при которых вырезаются и неко­торые экзоны. Некоторые из продуктов альтернативного сплай­синга пре-мРНК нефункциональны, как например, при определении пола у плодовой мушки дрозофилы, однако часто в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК одного ге­на образуются многочисленные мРНК и их белковые продукты.

В настоящее время известно, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (остальные б % генов не содержат интронов). Альтернативный сплайсинг у многокле­точных эукариот является ключевым механизмом увеличения разнообразия белков, не создавая избыточных копий гена, а также позволяет осуществлять тканеспецифическую и стадиес­пецифическую регуляцию экспрессии (проявления) генов.

Процессинг рРНК: нарезание первичноготранскрипта, метилирование, сплайсинг. Уэукариот все рРНК синтезируются как часть одного транскрипта. Он нарезается с помощью экзо и эндонуклеаз на зрелыерРНК. Предшественник содержит 18, 5.8, 28S рРНК и называется 45S РНК. Процессинг рРНК требует участия мяРНК. У некоторых организмов в составе предшественника 28S РНК находятся вставки/интраны, кот.удаляются в результате процессинга и фрагменты РНК сшиваются в результате сплайсинга.

Упрокариот предшественник рРНК содержит 16, 23, 5S рРНК + несколько предшественников тРНК. 3 и 5’ концы сближены за счет комплиментарно прилегающих пар оснований. Такая структура разрезается РНКазойIII. Оставшиесярибонуклеотиды отрезаются экзонуклеазами/подравнивание. Процессинг 5’конца тРНК осуществляется РНКазой, а 3’конца – РНКазойД.тРНК-нуклеотидилтрансфераза достраивает ССА-хвост.

У эукариот предшественник тРНК содержит в себе интрон, он не ограничен консервативными последовательностями и встроен в антикодоновую петлю. Трекбуется удаление интронов и сплайсинг. В основе сплайсинга – узнавание вторичной структуры тРНК, требует участия ферментров с нуклеазной (расщипляют РНК на границкэкзон-интрон с двух сторон) и лигазной (сшивание свободных 3 и 5’-конов) активности. После высвобождения интронатРНК сворачивается в обычную структуру.

Процессинг мРНК. Модификация 5’-конца (кэпирование). Модификация 3’-конца (полиаденилирование). Сплайсинг первичных транскриптовмРНК, сплайсосома. Автосплайсинг. Альтернативный сплайсинг.

Процессинг пре-мРНК
эукариот состоит из нескольких этапов:

1. Отрезание лишних длинных концевых последовательностей.

2. Присоединение к 5’-концу последовательности КЭПа, в котором обязательно присутствует 7-метилгуанозин, с которого начинается КЭП. Далее располагается 1-3 метилированныхрибонуклеотидов. Предполагают, что КЭП необходим для стабилизации мРНК, предохраняя ее от расщепления 5’-экзонуклеазами, а также узнается рибосомой. Образование КЭПа дает возможность прохождения сплайсинга.

3. Вырезание интронов и сплайсингэкзонов.

В сплайсинге, как правило, участвуют особые рибонуклеопротеиновые частицы (РНП) — малые ядерные РНП (мяРНП), в состав которых входят мяРНК, богатые урацилом и обозначаемые U1-U6 (иногда называемые рибозимами) и многочисленные белки. Эти РНП-частицы на стыках интронов и экзонов образуют функциональный комплекс, получивший название сплайсосомы
(сплайсмосомы). Функции U-частиц заключаются в распознавании сайтов сплайсинга. В частности, UI узнает 5’-концевой сайт сплайсинга, a U2 — 3’-концевой сайт. При этом происходит комплементарное взаимодействие и сближение между этими сайтами и соответствующими последовательностями в РНК U1 и U2 частиц. Таким образом, происходит выпетливаниеинтрона. Соседние экзоны входят в контакт друг с другом в результате взаимодействия между факторами, распознающими индивидуальные экзоны.

Некоторые интроны удаляются с помощью автосплайсинга
, не требуя никаких дополнительных компонентов, кроме самих пре-мРНК. Первым шагом является разрыв фосфодиэфирной связи в 5’-положении интрона, что приводит к отделению экзона 1 от молекулы РНК, содержащий интрон и экзон 2. 5’-конец интрона образует петлю и соединяется с нуклеотидом А, входящим в последовательность, называемую участком разветвления и расположенную выше 3’-конца интрона. В клетках млекопитающих участок разветвления содержит консервативную последовательность, ключевой А-нуклеотид в этой последовательности расположен в положении 18-28 пн выше 3’-конца интрона. У дрожжей этой последовательностью является UACUAAC. Интрон удаляется в форме лассо.

В некоторых случаях в аминокислотные последовательности трансформируются не все экзоны. В результате с одного гена считывается несколько мРНК — альтернативныйсплайсинг
. Кроме того использование альтернативных промоторов и терминаторов может изменять 5’и 3’ концы транскрипта.

4. Добавление нуклеотидов к З’-концу последовательности из 150-200 адениловых нуклеотидов, осуществляемое специальными поли(А)-полимеразами.

5. Модификация оснований в транскрипте. Очень часто при созревании пре-мРНК происходят химические превращения некоторых оснований, например превращение одного азотистого основания в другое (С в U или наоборот).

Таким образом, в результате транскрипции образуются рибонуклеиновые кислоты. Таким образом, нуклеиновые кислоты обеспечивают поддержание жизнедеятельности клетки, путем хранения и экспрессии генетической информации, определяя биосинтез белка и получение организмом определенных признаков и функций.

В клетках бактерий к готовому, начинающему отделяться от матрицы участку мРНК присоединяются рибосомы и сразу же начинают синтез белка. Так образуется единый транскрипционно-трансляционный комплекс, который можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Синтез РНК уэукариот проходит в ядре и отделен пространственно от места синтеза белка — цитоплазмы. У эукариот, вновь синтезированная РНК сразу же конденсируется с образованием множества рядом расположенных частиц, содержащих белок. В состав этих частиц входит РНК длиной приблизительно 5000 нуклеотидов, нить которой намотана на белковый остов, таким образом образуются гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы (гяРНП). Гетерогенны они потому, что имеют разные размеры. Часть этих комплексов являются сплайсмосомами и участвуют в удалении инронов и сплайсингеэкзоновпремРНК.

После процессинга зрелые молекулы мРНК эукариот узнаются рецепторными белками (входящими в состав ядерных пор), которые способствуют продвижению мРНК в цитоплазму. При этом основные белки, входящие в состав гяРНП никогда не покидают ядро и соскальзывают с мРНК по мере ее продвижения через ядерные поры.

В цитоплазме мРНК снова соединяется с белками, но уже цитоплазматическими, образуя мРНП. При этом обнаруживаются свободные мРНП-частицы (цитоплазматические информосомы), а также мРНП, связанные с полисомами (комплексами рибосом) (полисомные информосомы). Связанные с полисомамимРНК активно транслируются. Белки, связанные с информосомами, обеспечивают хранение в цитоплазме мРНК в нетранслируемом положении. Переход мРНК к полисомам сопровождается сменой белков — отщеплением или модификацией репрессорных белков и связыванием активаторных белков. Таким образом, в эукариотических клетках мРНК всегда находится в комплексе с белками, которые обеспечивают хранение, транспорт и регуляцию активности мРНК.

Энхансеры.

Усиливающие транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками. Энхансеры это не непрерывная – прерывающиеся последовательности ДНК. Они организованы в модули (М1, М2, М3, М4). Одинаковые модули могут встречаться в разных энхансерах, но для каждого энхансера набор модулей уникален. Модуль это короткая последовательность, состоящая не более чем из 2х витков спирали – примерно 20 нуклеотидных пар. Модули ориентированы перед, за и даже внутри гена. Таким образом М1, М2, М3 и М4 это один энхансер состоящий из 4х модулей. Каждый из них узнаётся своими белками, а они в свою очередь взаимодействуют друг с другом. Если в клетке присутствуют все соответствующие белки, то участку ДНК придаётся определённая конформация и начинается синтез мРНК.

Актуализация. Все соматические клетки многоклеточного эукариотического организма имеют одинаковый набор генов. Все гены в них работают на фоновом уровне и не имеют фенотипического проявления, а экспрессируются лишь те, у которых все энхансерные модули узнаны своими белками и эти белки взаимодействуют друг с другом.

Сайленсоры.
Это последовательности ослабляющие транскрипцию при взаимодействии с белками. При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов может быть подавлена.

Некоторые реперссированые (не экспрессирующиеся) гены активируются каскадом событий, запускаемым повышением температуры или синтезом гормона. Гормон, поступив в кровоток, связывается с рецепторами, проникает в клетку, взаимодействует с клеточными белками, изменяет их конформацию, такой белок проникает в ядро, связывается с регуляторным элементом, происходит инициация транскрипции соответствующих генов. Есть белки, которые взаимодействуя с регуляторными элементами блокируют транскрипцию. Например: белок NRSF блокирует транскрипцию соответствующих генов, в нейронах этот белок не синтезируется и как следствие идёт активная транскрипция.

Процессинг РНК у эукариот.

Посттарнскрипционному Ему подвергаются все РНК. Процессинг рРНК и тРНК принципиально не отличается от прокариот.

Процессинг мРНК эукариот

1. Кэпирование. Все 100% синтезированных мРНК. Кэп – метилированый гуанозинтрифосфат присоединенный в необычной позиции (5’ к 5‘)и две метилированые рибозы.

Функции: узнавание кэп-связывающих белков, защита от действии экзонуклеаз

По мере образования про-мРНК (до 30 нуклеотидов) к 5» концу несущему обязательно пурин (аденин, гуанозин) присоединяется гуанин, который затем метилируется. Участие – гуанинтрансферазы.

2. Полиаденилирование. Только 95% всех мРНК и именно эти 95% вступают в этап сплайсинга. Другие 5% не подвергаются сплайсингу и эта матричная РНК в которой зашифрованы альфа и бета интерфероны и белки гистоны.

После завершения синтеза мРНА, полиаденидированию предшествует разрезание специфической эндо кулеазо). Ближе 3» концу про-мРНК, а именно через 20 нуклеотидов после специфической последовательности (ААУАА) синтез безматричный. у каждого вида мРНК полиАхвост определённой длины, покрыт полиАсвязывающими белками. Врея жизни мРНК коррелирует с длиной полиАхвоста.

3. Сплайсингу подвергаются 95% мРНК. Ф. Шарп, 1978 год. Копии вырезанных интронов гидролизуются до нуклеотидов. Осуществляется матюразами. Иногда в сплайсинге участвует sРНК. Правила: 1. фланкированы GT-AG, 2. Нуерация остаётся, но может быть вместе с интронами вырезан экзон.

Цис-сплайсинг
(внутримолекулярный сплайсинг) осуществляется в ядре. На первом этапе происходит сборка комплекса сплайсинга. Далее происходит расщепление в 5»сайте сплайсинга, в ходе реакции накапливается два продукта – правильно лигированые экзоны и свободный целый интрон в виде структуры типа «лассо». Множество ядерных факторов белков и рибонуклеопротеидных комплексов — Малые ядерные рибонуклеопротеиды. Этот комплекс, который катализирует сплайсинг, называют сплайсингосомой. Она состоит из интрона, связанного минимум с 5ю мя рнп и некоторыми вспомогательными белками. Сплайсингосомы образуются путём спаривания молекул РНК, присоединением белков к РНК и связыванием этих белков друг с другом. Конечным продуктом такого сплайсинга является вырезание интрона и сшивание фланкирующих его экзонов.

Транс-сплайсинг
это пример межмолекулярного сплайсинга. Показан для всех мРНК у трипаносомы и продемонстрирована в опятах ин витро. В ходе него происходит лигирование двух экзонов находящихся в разных молекулах РНК с одновременным удалением фланкирующих их интронов.

Альтернативный сплайсинг
обнаружен от дрозофилы до человека и вирусов и показан он для генов, кодирующих белки, участвующие в формировнаии цитоскелета, мышечных сокращений, сборке мемебранных рецепторов, пептидных гормонов, в промежуточном метаболизме и транспозиции ДНК. В сплайсингосоме этот процесс тоже идёт, связан с ферментами занимающимися полиаденилированием. Таким образом мРНК на всём пути следования до завершения трансляции, защищена от нуклеаз с помощью связанных с ней белков (информоферы). Комплекс мРНК с информоферами с ифнормосомы, плюс сРНК. В составе информосом мРНК живёт от нескольких минут до нескольких дней.

4. Редактирование

Сплайсинг тРНК.

Интроны в генах тРНК локализованы через один нуклеотид после антикодона ближе к 3»концу тРНК. От 14 до 60 нуклеотидов. Механизм сплайсинга тРНК лучше всего изучен у дрожжей, а так же в опытах с другими низшими эукариотами и растениями. Задача вырезания интрона в антикодоновой петле реализуется за счёт участия:

Эндонуклеаз (узнать интрон и расщепить про-тРНК в обоих сайтах сплайсинга с образованием свободных 3» и 5»концов экзонов)

Полифункциональный белок (катализирующий все реакции кроме последней – фосфатазной)

2»фосфатаза (удаляет монофосфат с 2»конца 5»концевого экзона)

Лигаза (сшивает)

Сплайсинг рРНК.

Гены ядерных рРНК низших эукариот содержат особые интроны, которые претерпевают уникальный механизм сплайсинга. Это интроны группы I, их нет в генах позвоночных. Общие свойства: сами катализируют свой сплайсинг (автосплайсинг), информация для сплайсинга содержится в коротких внутренних последовательностях внутри интрона(эти последовательности обеспечивают укладку молекулы с образованием характерной пространственной структуры), этот сплайсинг инициируется свободным гуанозином (экзогенным) или любым из его 5»фосфорилированых производных, конечными продуктами являются зрелая рРНК линейная РНК и кор-интроны (кольцевые)

Автоспласинг 1982 г., на инфузория, Томас Чек

Этот процесс чувствителен к ионам магния. Этот сплайсинг показывает что каталитической активностью облажают не только белки но и про-рРНК. Самосплайсинг интронов 1 группы осуществляется последовательно реакций транс-этерификации, где процессы фосфодиэфирного обмена не сопровождаются гидролизом.

Сплайсинг интронов группы 2 мало распространены, обнаружены в 2х митохондриальных генах дрожжей: ген одной из субъединиц цитохромоксидазы и ген цитохрома Б. так же подвергаются самосплайсингу, но инициация сплайсинга и дёт при участии эндогенного гуанозина, то есть гуанозина находящегося в самом интроне. Высвобожденные интроны – подобны лассо, где 5»концевой фосфат РНК интрона соединён фосфодиэфирной связью с 2»гидроксильной группы внутреннего нуклеотида.

Регуляция экспрессии генов у эукариот

Синтез РНК (транскрипция РНК).

Структура РНК.

Организация генетического материала у эукариот.

Способ записи генетической информации

Организация генетического материала. Функциональные отделы генома.

Общие сведения об экспрессии генов.

1. Общие сведения об экспрессии генов

Как известно, в ДНК содержится определенная генетиче­ская информация:

О структуре всех белков и РНК организма, а также о порядке реализации этой информации в раз­ных клетках в процессе онтогенеза и при различных функциональных состояниях.

Поскольку во всех соматических клетках организма — один и тот же набор из 46 хромосом, — то, несмотря сильные отличия между клетками, все они содержат в своих ДНК одну и ту же генетическую информацию. (Некоторое исключение составляют лимфоциты, в процессе формирования которых происходит перестройка генов иммуноглобулинов.)

В процессе репликации ДНК генетиче­ская информация воспроизводится целиком, чтобы затем передаваться дочерним клеткам. Но, кроме того, эта информация экспрессируется (реализуется) в клетке, обуславливая все проявления ее жизнедеятель­ности. Однако экспрессии подвергается не вся имеющая­ся в ядре генетическая информация, а лишь какая-то ее часть.

Экспрессия информации о структуре определенного белка включает 2 основных этапа:

а) Первый из них — транскрипция: образование в клеточ­ном ядре на соответствующем гене (локализующемся в одной из хромосом) специального посредника — матричной РНК (мРНК).

Смысл этого процесса — переписывание информации о структуре белка с огромного неподвижного носителя (ДНК в составе хромосомы) на небольшой подвижный носитель -мРНК. Примерно так же обстоит дело, когда с же­сткого диска компьютера, содержащего тысячи фай­лов, переписывают один из них на дискету. Следовательно, мРНК, считанные с разных генов, должны отличаться друг от друга — как отли­чаются друг от друга сами гены. Другое важное обстоя­тельство: непосредствен­ный продукт транскрип­ции гена правильней называть предшественником мРНК (пре- мРНК). Дело в том, что новообразован­ная мРНК подвергается тут же (в ядре) созреванию, или процессингу. При этом она пре­терпевает существенную модификацию. И лишь после того зрелая мРНК поступает из ядра в цитоплазму.

б) Второй из основных этапов экспрессии гена трансля­ция: синтез белка на рибосомах по программе, диктуемой мРНК. Суть этой программы — определение очередности, в ко­торой аминокислоты должны включаться в строящуюся пеп­тидную цепь. Причем в процессе участвуют не свободные, а активированные аминокислоты: каждая из них связана с т. н. транспортной РНК (тРНК), т. е. находится в виде аминоацил- тРНК (аа- тРНК). Для каждой из 20 аминокислот имеется своя специфическая форма тРНК, а чаще даже не одна, а несколько форм.

Рибосомы же играют в трансляции роль молекулярных ма­шин, обеспечивающих правильное взаимодействие участников. В состав рибосомы входят четыре молекулы т. и. рибосомной РНК (рРНК) — по одной молекуле каждого из 4 х видов рРНК. Объединяясь с рибосомными белками, они образуют две субъе­диницы рибосомы и выполняют в них структурную, а также, возможно, каталитическую функции. Таким образом, в трансляции участвуют PНK трех клас­сов — мРНК, тРНК и рРНК.

2. Организация генетического материала. Функциональные отделы генома

Гены и их структура

Собственно информация о структуре белков и РНК записа­на в участках ДНК, называемых генами и цистронами.

Ген
— это участок ДНК, кодирующий один белок.

Цистрон
же участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

У животных и чело­века цистроны нередко рас­полагаются в разных хромосомах и обычно тоже называ­ются генами. Кроме генов всех белков организма, в хромосомах имеются также гены РНК — четырех видов рибосомных РНК и нескольких десятков транспортных РНК.

Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется геномом
.

Почти все гены эукариот (в отличие от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирую­щие участки —экзоны
, но и некодирующие —интроны
. Экзоны и интроны перемежаются друг с другом, что придает гену как бы «разорванную» структуру.

Число интронов в гене варьирует от 2 до несколь­ких десятков; в гене миози­на их около 50. Порой на ин­троны приходится до 90 % общей длины гена.

Прочие отделы ДНК

Между генами также находятся некодирующие последовательности — спейсеры
. Несмотря на общее название, функциональная роль их может быть обсалютно различной.

а) Многие спейсерные участки, видимо, выполняют струк­турную роль:

Участвуют в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина,

В прикреплении хромосом к аппарату центриолей и т. д.

б) Другие некодирующие участки ДНК служат специфиче­скими локусами связывания определенных белков:

Функционирующих на ДНК ферментов,

Белков, выполняющих регуляторную функцию.

При этом участки связывания РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК) называются промоторами
. Они либо вплотную примыкают к началу гена (или группы ге­нов), либо отделены от гена какими-либо другими функцио­нальными локусами.

в) У эукариот (включая человека) регуляцию «прочтения» ге­нов осуществляют не только белки-репрессоры, но и белки-ак­тиваторы — т. н. транскрипционные факторы.

К последним относятся уже упоминавшиеся общие факторы транскрипции, необходимые для связывания РНК полимеразы с промотором. Эти факторы имеются во всех клетках и необходи­мы для «прочтения» любого функционирующего гена.

Другие транскрипционные факторы повышают активность только определенных генов, и локусы ДНК, связывающие такие факторы, называются энхансерами
.

г) Наконец, в ДНК могут содержаться короткие локусы, служащие сигналами об окончании (терминации
) транскрип­ции ДНК.

Терминирующие участки, распола­гающиеся после генов, называются терминаторами
.

3. Способ записи генетической информации

Функциональная роль цепей ДНК

Две цепи ДНК в области гена принципиально различаются по своей функциональной роли: одна из них является кодирую­щей
или смысловой
, вторая — матричной
.

Это значит, что в процессе «считывания» гена (транскрип­ции, или синтеза пре-мРНК) в качестве матрицы выступает только одна — матричная — цепь ДНК. Продукт же этого про­цесса — пре- мРНК по последовательности нуклеотидов сов­падает с кодирующей цепью ДНК (с заменой тиминовых основа­ний на урациловые).

Таким образом, получается, что с помощью матричной це­ни ДНК при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информации кодирующей цепи ДНК.

На рисунках ген принято изображать так, чтобы кодирую­щая цепь была сверху; тогда, в соответствии с общим правилом изображения ДНК, 5″-конец кодирующей цепи дол­жен располагаться слева.

Информация на кодирующей цепи записана в направлении 5´→3´; следовательно, промотор находится со стороны 5″-конца кодирующей цепи гена. И этот же конец принято считать 5″-концом всего гена (хотя у его матричной цепи здесь находится 3‘- конец).

Основные свойства генетического кода

Единицей информации в кодирующей цепи ДНК является триплет
— последовательность из трех нуклеотидов.

4 вида нуклеотидов (встречающиеся в ДНК) могут образо­вывать 64 вида триплетов. Из них 61 триплет является смы­словым, т. е. кодирует ту или иную из 20 аминокислот, а 3 три­плета являются «бессмысленными».

Как видим, на одну аминокислоту приходится в среднем несколько смысловых триплетов (в реальности от 1 до 6). По этой причине генетический код называют вырожденным
. Не будь он таким, случайные точечные мутации (замены в ДНК одних нуклеотидов на другие) с очень высокой частотой приво­дили бы к появлению «бессмысленных» триплетов.

В то же время код специфичен
: каждому из смысловых три­плетов соответствует только одна аминокислота.

Сама же информация о белке состоит в том, что в полном ге­не (исключая интроны) линейная последовательность триплетов кодирует аналогичную линейную последовательность аминоки­слот в первичной структуре данного белка (в направлении от аминного к карбоксильному концу пептидной цепи).

Этого оказывается вполне достаточно, поскольку первич­ная структура белка определяет пространственную конфигура­цию белковой молекулы, а также ее физико-химические и био­логические свойства.

Линейное соответствие между последовательностью три­плетов в экзонах гена и аминокислот в пептидной цепи обозначается как коллинеарность
генетического кода.

Итак, генетический код является триплетным. специфиче­ским, вырожденным, коллинеарным и непрерывным. К этому списку обычно добавляют универсальность
: у всех видов организмов смысл любого триплета один и тот же.

Генетический код

Говоря о коде, до сих пор мы имели в виду смысловую цепь ДНК. Но такова же, с учетом замены тимина (Т) на урацил (У), последовательность нуклеотидов в пре-мРНК.

Триплеты мРНК, соответствующие триплетам ДНК, назы­ваются кодонами
. Действительно, именно они непосредственно:

Определяют порядок включения аминокислот в пептидную цепь, синтезируемую на рибосоме.

Кодоны одной аминокислоты различаются лишь последним (третьим) нуклеотидом.

У сходных по стро­ению аминокислот кодоны также сходны между собой: совпада­ют по двум нуклеотидам или по одному, но центрально­му, нуклеотиду.

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА У ЭУКАРИОТ

Гены ряда белков и РНК

Одна из отличительных черт мно­гих генов эукариот — наличие в их составе некодирующих участков — интронов.

Другая особенность состоит в том, что наряду с уникальны­ми генами (представленными в гаплоидном геноме единичным числом копий) встречаются многократно повторяющиеся гены.

Чтобы проиллюстрировать эти две особенности, рассмо­трим некоторые конкретные гены:

Гены гистонов

Гистоны
— основные (по кислотно-щелочным свой­ствам) белки, участвующие в формировании нуклеосомной структуры хроматина. Каждый из пяти видов эт­их белков (HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4) кодируется соответству­ющим геном.

Гены рибосомных РНК

В состав рибосом входят рРНК четырех видов. Данные РНК различаются по константе седиментации.

На функционирование генов оказывают влияние очень многие белки.

Общие факторы транскрипции

Общие факторы транскрипции – это такие транскрипционные факторы, которые необходимы для связывания РНК-полимера­зы с промотором, причем и сами тоже взаимодействуют с промотором.

Белок р53 как транскрипционный фактор

Среди большого числа уже открытых транскрипционных факторов наиболее известен, пожалуй, белок р53. Это объясня­ется тем, что он контролирует исключительно важные клеточ­ные процессы и, благодаря этому, вовлечен в большое количе­ство всевозможных регуляторных цепей.

Функциональная роль.

Белок р53 (или его ген) активируется в ответ на разнообраз­ные повреждения клеточной структуры:

Нерепарированные разрывы и другие повреждения ДНК,

Нарушение расхождения хромосом в митозе,

Разрушение микротрубочек и т. д.

В итоге через посредничество белка р53 клетка в ответ на повреждения своей структуры

Либо задерживается на той или иной стадии митотиче­ского цикла и исправляет эти повреждения;

Либо (при невозможности исправлений) вообще прекра­щает деления и вступает в процесс клеточного старения;

Либо (при потенциальной опасности поврежденной клет­ки для ее окружения) осуществляет апоптоз, т. е., по­просту говоря, самоубийство.

В частности, апоптозу, помимо прочих, подвергаются и клетки, в которых произошла опухолевая трансформация. В этой связи понятно, почему одновременно тормозится ангио­генез: это еще один способ ограничения опухолевого роста.

Поэтому белок р53 — один из наиболее важных опухоле­вых супрессоров. В большинстве же развивающихся опухолей функции белка р53 оказываются в том или ином отношении на­рушены.

5. СТРУКТУРА РНК

Все транскрипционные факторы, как и сама транскрипция, призваны обеспечить только одно — образование с нужной ско­ростью РНК на тех или иных участках хромосом.

Общий план строения РНК

Как и ДНК, РНК представляют собой линейные (т. е. неразветвленные) полинуклеотиды с тем же принципом организации:

Состоят из четырех видов нуклеотидов, каждое из которых включает азотистое основание, пентозу и фосфатный остаток;

Нуклеотиды связаны в цепь с помощью 5´,3´-фосфоди- эфирных связей;

Полинуклеотидные цепи полярны, т. е. имеют различи­мые 5″- и 3″-концы.

Но имеются и отличия от ДНК. Главное из них — то, что мо­лекулы РНК (кроме РНК некоторых вирусов) являются не двух-, а одноцепочечными. Причиной служат следующие три особен­ности первичной структуры.

а) Во-первых, пентоза в РНК это не дезоксирибоза, а ри боза, которая содержит дополнительную гидроксигруппу. По­следняя делает двухцепочечную структуру менее компактной.

б) Во вторых, среди четырех главных, или мажорных, азо­тистых основании вместо тимина содержится урацил, отличающнйся от тимина лишь отсутствием метильной группы в 5-м по­ложении.

6. СИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК)

Общая характеристика транскрипции

В отличие от репликации ДНК, транскрипция ДНК происходит прак­тически во всех ядросодержащих клетках — как делящихся, так и неделящихся.

Причем в делящихся клетках она совершается в любой мо­мент митотического цикла, кроме периода репликации (у эука­риот) и собственно деления.

Более того, транскрипция какого либо участка ДНК может совершаться не только почти в любой момент цикла, но и много­кратно — сколь угодное число раз. С другой стороны, набор транскрибируемых в клетке участков под действием тех или иных факторов нередко меняется.

Ферментативное обеспечение процесса осуществляется РНК-полимеразой. У эукариот три вида этого фермента:

РНК-полимераза I — для синтеза пре-рРНК.

РНК-полимераза II — для синтеза пре-мРНК и

РНК-полимераза III — для синтеза пре-тРНК

Фермент ползет вдоль ДНК и катализирует поочередное включение в растущую цепь рибонуклеотидов, комплементар­ных нуклеотидам матричной цепи ДНК.

Еще одно сходство с синтезом ДНК состоит в направлении роста строящейся цепи — 5´→3´. Это значит, что у этой цепи оче­редные нуклеотиды присоединяются к З»-концу.

Как при всех матричных синтезах, строящаяся цепь антипараллельна матричной цепи ДНК. Следовательно, по­следняя транскрибируется ферментом в направлении 3´→5´.

Но имеются и принципиальные отличия от синтеза ДНК.

а) Асимметричность процесса: в качестве матрицы, как мы знаем, используется лишь одна цепь ДНК. Не совсем ясно, как ферментная система осуществляет правильный выбор нужной це­пи. Видимо, ключевую роль тут играют какие-то последователь­ности нуклеотидов на одной из цепей, узнаваемые системой.

б) Консервативность процесса: молекула ДНК по оконча­нии синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При син­тезе же ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает ре­пликацию полуконсервативной.

в) Наконец, синтез РНК не требует для своего начала ника­кой затравки, тогда как при репликации ДНК необходима РНК- затравка.

Механизм транскрипции

Инициация транскрипции

Первый и, пожалуй, важнейший этап транскрипции — это

ее инициация: связывание РНК- полимеразы с промотором и образование первой межнуклеотидной связи.

О связывании РНК-полимеразы мы говорили уже не раз, поэтому сейчас лишь напомним основные моменты (с добавле­нием некоторых сведений).

У эукариот
всегда требуется предварительное связывание с промотором целой совокупности белков общих факторов транскрипции, с образованием комплекса. Связавшись с промотором, РНК- полимераза вызывает ло­кальную денатурацию ДНК, т. е. разделение цепей ДНК на про­тяжении примерно 1,5 витка ДНК. Как говорят, образуется транскрипционный «гла­зок». Благодаря этому нуклеотиды матричной цепи ДНК в обла­сти «глазка» становятся доступными для спаривания с рНТФ (рибонуклеозидтрифосфат).

Первым в строящуюся цепь РНК всегда включается пури­новый нуклеотид — АТФ или ГТФ, причем все три его фосфат­ных остатка сохраняются.

Затем образуется первая 5″,3″-фосфатная связь со вторым нуклеотидом.

Элонгация транскрипции

Следующий за инициацией этап — элонгация: постепенное удлинение растущей цепи пре- РНК до окончательного размера.

Это происходит по мере продвижения РНК-полимеразы по ДНК. Соответственно, перемещается и транскрипционный «глазок», т. е. участок локального расплетения ДНК. На транскрибированной же части ДНК двухцепочечная спи­ральная структура восстанавливается сразу после ухода РНК- полимеразы.

Примерная скорость движения фермента и синтеза РНК — 30 нуклеотидов в секунду.

Терминация транскрипции

Последний этап терминация, или окончание транскрип­ции.

Сигналом для этого служат специальные ГЦ-богатые участ­ки в конце генов. Поскольку сила взаимодействия пар ГЦ до­вольно велика, локальная денатурация таких участ­ков в ДНК происходит трудней. Это замедляет продвижение РНК -полимеразы и может служить для нее сигналом к прекра­щению транскрипции.

Но еще до окончания процесса в конце новосинтезированной РНК тоже успевает появиться ГЦ богатый участок. Благо­даря взаимодействию между своими нуклеотидами, он образует «шпильку».

Т. е. взаимодействия с нуклеотидами матричной цепи ДНК заменяются на «внутришпилечные» взаимодействия. Это облегчает отсоединение РНК от ДНК.

7. СОЗРЕВАНИЕ (ПРОЦЕССИНГ) РНК

Практически все процессы созревания РНК могут быть по­дразделены на три типа:

Удаление одних,

Присоединение других и

Модификация тех же или третьих нуклеотидов.

Удаление «лишних» последовательностей

Общее описание

Удаление «лишних» нуклеотидов осуществляется спе­циальными нуклеазами. Экзонуклеазы последовательно отще­пляют с определенного конца цепи (3´ или 5´) по одному нуклео­тиду. А эндонуклеазы разрезают цепь где-то в средних участ­ках, приводя к ее фрагментации.

Механизм, сплайсинга

Один из ключевых моментов рассматриваемого механизма обеспечение точности разрезания цепи пре-РНК: ошибка даже на один нуклеотид приведет к «сдвигу рамки», что изменит смысл всех кодонов мРНК или антикодона тРНК.

Точность достигается благодаря двум обстоятельствам:

Во-первых, в начале и в конце каждого интрона имеются определенные последовательности нуклеотидов: так, интроны всегда начинаются с Г-У, а кончаются дуплетом А-Г.

Во-вто­рых, для узнавания этих последовательностей используются специальные РНК т. н. малые ядерные РНК (мяРНК). По­следние связаны с ферментами, катализирующими сплайсинг. Такие рибонуклеопротеидные комплексы называются сплайосомами.

Сплайсинг начинается со взаимодействия двух мяРНК с на­чалом и концом интрона. Это дает «ориентацию» для эндону­клеазы: последняя действует на границах двух- и одноцепочеч­ных участков.

Первый разрыв пре-РНК происходит в области 5´ конца ин­трона — это место нахождения левого края левой мяРНК. При этом 5″ конец интрона связывается с одним из ну­клеотидов в средней части того же интрона, что приводит к обра­зованию кольцевой структуры.

Присоединение и модификация нуклеотидов

Итак, в процессе созревания пре-РНК последняя теряет значительную часть нуклеотидов. Но происходит также и не­транскрипционное присоединение отдельных нуклеотидов.

В случае пре-мРНК со стороны 5″-конца присоединяется (с помощью нетипичной для полинуклеотидов пирофосфатной связи) 7-метилгуаниловый нуклеотид — компонент «колпач­ка». А со стороны З»-конца понуклеотидно наращивается поли(А)-фрагмент примерно из 200 нуклеотидов. Для этого ис­пользуются специальные ферменты; в частности, для образова­ния поли(А) — фрагмента полиаденилатполимераза.

В случае же пре-тРНК с З»-конца по очереди присоединяют­ся три нуклеотида — Ц, Ц и А, образующие акцепторную ветвь.

ПОДЕЛИТЬСЯ

Решу ЕГЭ 2022 биология 11 класс пробный тренировочный вариант 100 баллов №30 КИМ №220404 в форме типового экзамена ЕГЭ 2022 по биологии года от 4 апреля 2022 года.

скачать вариант ЕГЭ 2022 по биологии с ответами

Данный тренировочный тест составлен по новой демоверсии ФИПИ экзамена ЕГЭ 2022 года, к тренировочным заданиям прилагаются правильные ответы и решения.

1)Рассмотрите таблицу «Раздел биологии» и заполните пустую ячейку, вписав соответствующий термин. Определение количества семян, необходимых для оптимального урожая.

Ответ: агрономия

2)Исследователь изучал физиологические изменения в организме лошади при переходе её с шага на рысь. Как при этом изменятся потребление кислорода её клетками и скорость нервного импульса в нейронах мозга? Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:

• 1) увеличится
• 2) уменьшится
• 3) не изменится

Ответ: 13

3)Сколько хромосом содержит клетка эпидермы пшеницы, если ее эндосперм содержит 42 хромосом?

Ответ: 28

4)Укажите соотношение генотипов при скрещивании двух гетерозиготных организмов при полном доминировании? Расположите цифры в порядке убывания.

Ответ: 211

5)Каким номером на рисунке обозначен исходный продукт синтеза РНК ферментом РНК-полимеразой?

Ответ: 5

7)Все перечисленные ниже признаки, кроме трёх, используются для описания комбинативной изменчивости. Определите три признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

• 1) обеспечивается при половом размножении
• 2) включает в себя кроссинговер
• 3) единичные случайные изменения в ДНК
• 4) возникает из-за перекомбинации хромосом в мейозе
• 5) может приводить к появлению «лишних» хромосом в кариотипе
• 6) получающаяся комбинация генов не передаётся по наследству

Ответ: 356

8)Установите последовательность действий учёного для получения генетически модифицированного сорта кукурузы, устойчивого к насекомым-вредителям. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

• 1) отбор растений, устойчивых к насекомым-вредителям
• 2) выращивание растений из культур клеток
• 3) получение гена, отвечающего за синтез ботулотоксина
• 4) внедрение вектора в клетки растения
• 5) встраивание гена в вирусный вектор

Ответ: 35421

9)Выберите три верных ответа из шести запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Если в результате эволюции у организма сформировалось сердце, изображенное на рисунке, то для этого животного характерны:

• 1) кожа с обилием кожных желез
• 2) 1 круг кровообращения
• 3) теплокровность
• 4) роговой слой чешуи
• 5) отсутствие артериальной крови в большом круге
• 6) 1 шейный позвонок

Ответ: 156

11)Установите последовательность расположения систематических таксонов, начиная с самого крупного. 1) Сумчатые 4) Позвоночные 2) Животные 5) Коала 3) Коаловые 6) Хордовые

Ответ: 264135

12)Выберите три верных ответа из шести запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие вещества расщепляются в тонком кишечнике?

• 1) Олигосахариды
• 2) Целлюлоза
• 3) Нуклеиновые кислоты
• 4) Жиры
• 5) Белки
• 6) Хитин

Ответ: 134

14)Установите последовательность процессов, происходящих при дыхании в организме человека. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

• 1) очистка воздуха от пыли ресничным эпителием
• 2) попадание воздуха в альвеолы
• 3) прохождение воздуха через нижние дыхательные пути
• 4) образование оксигемоглобина в крови
• 5) диффузия кислорода в капилляры легких

Ответ: 13254

15)Прочитайте текст. Выберите три предложения, в которых даны описания экологического критерия вида Выхухоль русская. Запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. (1)Русская выхухоль—очень редкое животное отряда насекомоядных. (2) Хвост покрыт роговыми чешуйками, а вдоль верха ещё и жёсткими волосами, образующими киль. (3)Обитает выхухоль вдоль рек, где делает норы с подводным входом. (4)Питается в основном водными беспозвоночными: личинками насекомых, рачками, моллюсками. (5)Выхухоль—вид эндемичный для европейской части России. (6) На выхухоль охотятся различные хищные птицы, хотя и редко их едят из-за сильного мускусного запаха.

Ответ: 346

17)Выберите три верных ответа из шести и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие из перечисленных признаков относятся к атавизмам?

• 1) появление хвоста у человека
• 2) появление в потомстве овцы с короткими лапами от нормальных родителей
• 3) появление небольших задних конечностей у дельфина
• 4) слепой отросток кишки у человека
• 5) третий глаз в черепе змеи
• 6) третье веко у кошки

Ответ: 135

19)Установите последовательность процессов, происходящих при заражении бактерии бактериофагом. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

• 1) внедрение молекулы РНК вируса в клетку
• 2) синтез вирусных белков и частиц
• 3) прикрепление бактериофага к стенке бактерии
• 4) сборка новых вирусов и их выход наружу
• 5) создание ДНК-копии вирусного гена в нуклеоиде

Ответ: 31524

22)Экспериментатор решил установить зависимость направление роста побегов растения от расположения источника света. Он расположил лампу непосредственно над первой группой горшочков с проростками фасоли. Вторую лампу иследователь расположил сбоку от второй группы горшочков. Лампы располагались на одинаковом расстоянии от соответствующих групп растений. Через некоторое время экспериментатор заметил, что растения первой группы (лампа сверху) растут вертикально, а во второй (лампа сбоку) – наклонены в сторону лампы. Какой параметр в данном эксперименте задавался экспериментатором (независимая переменная), а какой параметр менялся в зависимости от этого (зависимая переменная)? Почему растения из второй группы оказались изогнуты? Для чего экспериментатор следил за расстоянием от источников света до растений? Ответ поясните.

23)Какой вид и стадия деления обозначены на рисунке? Какие признаки характерны для этой стадии и этого типа деления клетки? Ответ обоснуйте.

24)Найдите ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, исправьте их. (1)В процессе пищеварения человека основная масса белков распадается на аминокислоты в желудке. (2)Аминокислоты в тонком кишечнике всасываются в лимфу, а затем попадают в кровь. (3)Кровь доставляет аминокислоты к клеткам организма, где синтезируются нужные организму белки. (4)Процесс синтеза белков относится к диссимиляции. (5)Ненужные белки организм разрушает с образованием CO2, воды, мочевины, мочевой кислоты. (6)Белки выполняют защитную, регуляторную, структурную и др. функции.

25)Что представляет мужской гаметофит покрытосеменных растений? Из каких клеток он состоит и какую функцию выполняют эти клетки?

26)Какое преимущество даёт полная перегородка желудочка в сердце у птиц и млекопитающих перед пресмыкающимися?

27)Хромосомный набор соматических клеток вишни равен 32. Определите хромосомный набор и число молекул ДНК в клетках семязачатка в анафазе I и в конце телофазы I мейоза. Объясните все полученные результаты.

28)При скрещивании самки дрозофилы с редуцированными глазами и нормальными крыльями и самца с нормальными глазами и короткими крыльями в первом поколении было получено 17 мух, имевших редуцированные глаза, нормальные крылья, и 16 мух, имевших нормальные глаза и нормальные крылья. Для второго скрещивания взяли самцов и самок из F1 с редуцированными глазами, нормальными крыльями. В потомстве получили расщепление 6:3:2:1, причём мух с редуцированными глазами было большинство. Составьте схему решения задачи. Определите генотипы родительских особей, генотипы и фенотипы полученного потомства в первом и во втором скрещиваниях. Поясните фенотипическое расщепление во втором скрещивании.

Смотрите также на нашем сайте:

Статград варианты БИ2110401-БИ2110404 биология 11 класс ЕГЭ 2022 с ответами

информации

Все морфологические,
анатомические и функциональные
особенности любой клетки и организма
в целом определяются структурой
специфических белков, входящих в состав
клеток. Способность к синтезу только
строго определенных белков является
характерным свойством, присущим как
для каждого вида, так и для отдельных
организмов.

В молекуле ДНК
может быть закодирована аминокислотная
последовательность для многих белков.
Участок молекулы ДНК, несущий информацию
о структуре одного белка, называется
геном.

Определенная
последовательность расположения
аминокислот в гюлипептидной цепочке
(первичная структура белка) определяет
специфичность белковой молекулы, а,
следовательно, и специфичность признаков,
которые определяются данным белком.

От расположения
аминокислот в полипептидной цепочке
белковой молекулы зависят биологические
свойства белков, их специфичность. Таким

образом,
первичная структура белковой молекулы
определяется определенной последовательностью
нуклеотидов в участке ДНК (гене).

Генетический

код — это
определенное расположение нуклеотидов
в молекуле ДНК, кодирующих аминокислоты
в молекуле белка.

Для кодирования
20 аминокислот в молекуле ДНК используются
четыре различных азотистых основания
(аденин, тимин, цитозин, гуанин). Каждая
аминокислота кодируется группой из
трёх мононуклеотидов, которая называется
триплетом (см.таблицу 1)

Свойства
генетического

кода
:

триплвтность

—

одна аминокислота кодируется одним
триплетом, в состав которого входит
три нуклеотида. Такой триплет называется
кодоном. При комбинации четырёх
нуклеотидов по три 4 3
вероятные сочетания составят 64 варианта
(триплета),что более, чем достаточно
для кодирования 20 аминокислот;

«вырожденность»,
или избыточность
генетического кода, т.е. одну и ту же
аминокислоту может кодировать несколько
триплетов, так как известно 20 аминокислот
и 64 кодона, например, фенил-аланин
кодируется двумя триплетами (УУУ, УУЦ),
изолейцин — тремя (АУУ,АУЦАУА);

неперекрываемость,
т.е. между
триплетами в молекуле ДНК не существует
разделительных знаков, они расположены
в линейном порядке, следуя один за
другимтри рядом расположенных нуклеотида
образуют один триплет;

линейность
и
отсутствие знаков разделения, т.е.
триплеты в молекуле ДНК следуют один
за другим в линейном порядке без знаков
остановки; если произойдёт выпадение
одного нуклеотида, то произойдёт «сдвиг
рамки», что приведёт к изменению
последовательности нуклеотидов в
молекуле РНК, и, следовательно, изменению
последовательности аминокислот в
молекуле белка;

универсальность,
т.е. для всех
организмов, начиная с прокариот и
заканчивая человеком, 20 аминокислот
кодируются одними и теми же триплетами,
что является одним из доказательств
единства происхождения всего живого
на Земле

коллинеарность
(соответствие)
— .линейное расположение нуклеотидов
в молекуле ДНК соответствует линейному
расположению аминокислот в молекуле
белка

Таблица 1
Генетический
код

Этапы реализации
генетической информаци

и

I. Т
ранскрипция

—

синтез всех видов РНК на матрице ДНК.
Транскрипция, или переписывание,
происходит не на всей молекуле ДНК, а
на участке, отвечающем за определенный
белок (ген). Условия, необходимые для
транскрипции:

а) разкручивание
участка ДНК с помощью расплетающих
белков-
ферментов

б) наличие
строительного материала в виде АТФ.
ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменты
трансктипции — РНК-полимеразы I, II,
III

г) енергия
в виде АТФ.

Транскрипция
происходит по принципу комплементарности.
При этом с помощью специальных
белков-ферментов участок двойной спирали
ДНК раскручивается, является матрицей
для синтеза иРНК. Затем вдоль цепи ДНК

движется
фермент РНК-полимераза, соединяя между
собой нуклеотиды по принципу
комплементарности в растущую цепь РНК.
Затем одноцепочечная РНК отделяется
от ДНК и через поры в мембране ядра
покидает клеточное ядро (рис. 5)

Рис. 5 Схематическое
изображение транскрипции.

Различия в
транскрипции про- и эукариот.

По химической
организации наследственного материала
эукариоты и прокариоты принципиально
не отличаются. Известно, генетический
материал представлен ДНК.

Наследственный
материал прокариот содержится в кольцевой
ДНК, которая располагается в цитоплазме
клетки. Гены прокариот состоят целиком
из кодирующих нуклеотидных
последовательностей.

Гены эукариот
содержат информативные участки -экзоны,
которые несут информацию об аминокислотной
последовательности белков, и неинформативные
участки — интроны, не несущие информации.

Соответственно,
транскрипция информационной РНК у
эукариот проходит в 2 этапа:

S) переписываются
(транскрибируются) все участки (интроны
и экзоны) -такая иРНК называется незрелой
или про-иР

НК.

2). процес

синг
— созревание
матричной РНК. С помощью специальных
ферментов вырезаются интронные участки,
затем сшиваются экзоны. Явление сшивания
екзонов называется сплайсингом.
Посттранскрипционное дозревание
молекулы РНК происходит в ядре.

II. Трансляция
(translation),

или биосинтез
белка. Суть трансляции -перевод
четырехбуквенного шифра азотистых
оснований на 20-буквенный «словарь»
аминокислот.

Процесс трансляции
состоит в переносе закодированной в
иРНК генетический информации в
аминокислотную последовательность
белка. Осуществляется биосинтез белка
в цитоплазме на рибосомах и состоит из
нескольких этапов:

Подготовительный
этап (активация аминокислот), состоит
в ферментативном связывании каждой
аминокислоты с своей тРНК и образовании
комплекса аминокислота — тРНК.

Собственно синтез
белка, который включает три стадии:

а) инициация
— иРНК связывается с малой субъединицей
рибосомы,
первыми кодонами, инициирующими,
являются АУТ или ГУГ. Этим кодонам
соответствует
комплекс метионил -тРНК. Кроме того, в
инициации участвует
три белковых:
фактора, облегчающие связывание мРНК
с большой субчастицей
рибосомы,
образуется инициаторный комплекс

б) элонгация
— удлинение полипептидной цепочки.
Процесс
осуществляется в 3 шага и
заключается в связывании кодона мРНК
с
антикодоном тРНК по принципу
комплементарности в активном
центре
рибосомы, затем в образовании
пептидной связи между двумя
остатками
аминокислот и перемещении
дипептида на шаг вперёд и,
соответственно,
передвижения рибосомы
вдоль иРНК на один ко дон вперед

в) терминация
— окончание трансляции, зависит от
присутствия в иРНК
терминирующих
кодонов или «стоп-сигналов»
(УАА,УГА,УАГ) и белковых
ферментов —
факторов терминации (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляции

а)стадия
элонгации;

б)поступления
синтезированного белка в
эндоплазматическую
сеть

В клетке для синтеза
белка используется не одна, а несколько
рибосом. Такой
работающий комплекс иРНК с несколькими
рибосомами называется полирибосомой
.
В таком случае синтез белка происходит
быстрее, чем при использовании
только одной рибосомы.

Уже в ходе трансляции
белок начинает укладываться в трёхмерную
структуру, а при необходимости в
цитоплазме принимает четвертичную
организацию.

Рис 7 Роль нуклеиновых кислот в передаче
генетической информации

Лексико-грамматические задания:

являться

определяться

кодироваться чем

характеризоваться

называться

Задание №1.
Слова и словосочетания,
данные в скобках, напишите в правильной
форме.

Все морфологические,
анатомические и функциональные
особенности любой клетки и организма
в целом определяются (структура
специфических белков).

Последовательность
расположения аминокислот в полипептидной
цепочке
определяется (последовательность)
нуклеотидов в участке ДНК,
котрый называется (ген), а последовательность
нуклеотидов в ДНК называется
(генетический код).

Каждая аминокислота
кодируется (группа из трёх нуклеотидов),
которая называется (триплет).

Генетический код характеризуется
(следующие признаки: триплетность,
вырожденность, непрекрываемость,
линейность и отсутствие запятых,
универсальность).

20 аминокислот кодируются (одни и те же
триплеты).

Задание №2.
Вместо точек
используйте краткие и полные формы
причастия,
образованные от глаголов кодироваться
— закодироваться.

Последовательность нуклеотидов в ДНК,
… определённые аминокислоты
в молекуле белка, называется генетическим
кодом.

Одна и та же кислота может быть…
несколькими триплетами.

20 аминокислот… одними и теми же
триплетами.

Различают структурные гены, … структурные
и ферментные белки, а так же гены с
информацией для синтеза тРНК и рРНК и
др.

Следующим этапом
реализации генетической информации,
… в гене, является транскрипция.

принципиально
(не)
отличаются существенно по
какому
признаку

значительно

По химической
организации материала наследственности
эукариоты и прокариоты принципиально
не отличаются. Генетический материал
у них представлен ДНК.

Задание№3. Прочитайте
часть текста «Различие транскрипции у
про- и эукариот». Расскажите о этапах
реализации наследственной информации.

Задание №4. Закончите
предложения, опираясь на информацию
текста.

Наследственный
материал прокариот содержится в….

Гены прокариот
состоят целиком из….

Гены эукариот
содержат….

Транскрипция у
эукариот происходит в….

Трансляция состоит
в переносе закодированной в иРНК
генетической информации в….

Трансляция
осуществляется в цитоплазме на….

Задание
№5.
Составьте схему этапов трансляции и
расскажите по схеме о поэтапном
осуществлении трансляции.

Решение
типовых
задач

Участки структурных
генов у про- и эукариот имеют сходные
последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-«ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА.
Причем, у эукариот последовательность
нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА
кодируют интронные участки про и-РНК.
Используя словарь генетического кода,
определите:

а) какую
последовательность нуклеотидов будет
иметь иРНК,
транскрибируемая с этого
участка ДНК у прокариот;

б) какую
последовательность нуклеотидов будет
иметь иРНК,
транскрибируемая с этого
участка ДНК у еукариот;

в) какую
последовательность аминокислот будет
иметь белок,
кодируемый данным участком
гена у про- и эукариот.

Сложившиеся представления о внутриклеточном переносе генетической информации по схеме ДНК->РНК->белок, предложенной Ф. Криком, принято называть «центральной догмой
» молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как общий перенос, известна и другая форма реализации генетической информации (специализированный перенос), обнаруженная при инфицировании клетки РНК-co держащими вирусами. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции,
при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы, кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно, специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК-»ДНК-»РНК-»белок.

Транскрипция
является первым этапом общего переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК на матрице ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности матричной нити ДНК (5’, переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5’->3’ на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов цепи ДНК рибонуклеотидам РНК (А — У, Г — Ц, Т — А, Ц — Г). Вторая цепь ДНК, комплементарная матричной, называется кодирующей
(«-»-цепь).

В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы клеточной РНК. Единица транскрипции получила название «транскриптон». На рисунке 1.4 представлена структура прокариотического транскриптона.

Рис. 1.4.

Процесс транскрипции катализируется РНК-полимеразой, представляющей собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций.

Транскрипцию принято подразделять на три основных стадии: инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса). Рассмотрим данный процесс на примере прокариотической клетки.

Инициация
транскрипции осуществляется РНК-полимеразой в состоянии холофермента, т.е. в присутствии всех субъединиц (двух а, формирующих каркас РНК-полимеразы; р, катализирующей полимеризацию РНК; Р’, обеспечивающей неспецифическое связывание с ДНК; со, участвующей в сборке фермента и защищающей его от разрушения; о, распознающей промотор и связывающейся с промотором). Фермент связывается с участком ДНК, называемым промотором
(рис. 1.5) и расположенным перед стартовой точкой, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы большинства генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5’-ТАТААТ-3’ (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка десяти нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность этих организмов (5’-ТТГАЦА-3’) обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы одно- нитевого 3’-5’-фрагмента ДНК. После синтеза короткого (длиной до десяти нуклеотидов) фрагмента РНК, G-субъединица отсоединяется, и РНК-полимераза переходит в состояние кор-фермента.

Рис. 1.5.

На этапе элонгации
кор-фермент продвигается по ДНК-матрице, расплетая ее и наращивая цепь РНК в направлении 5’->3’. Вслед за продвижением РНК-полимеразы восстанавливается исходная вторичная структура ДНК. Процесс продолжается вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора.
Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, на которой оканчивается синтез транскрипта, и он отсоединяется от матрицы. Существуют два основных способа терминации. При р-независимой терминации на синтезируемой РНК формируется шпилька, препятствующая дальнейшей работе РНК-полимеразы, и транскрипция прекращается, p-зависимая терминация осуществляется с участием р-белка, который присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК и с затратой энергии АТФ способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. Вместе с тем у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, которая кодирует синтез не одного, а двух и большего числа полипептидных цепочек. В этом случае происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Однако полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

В отличие от прокариот, в клетках которых имеется РНК-поли- мераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот обнаружены ядерные РНК-полимеразы трех типов (I, II, III), а также РНК-полимеразы клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК (5,8S, 18S, 28S), РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК, мяРНК и микроРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и 5S рРНК.

Разные типы РНК-полимераз инициируют транскрипцию с разных промоторов. Так, промотор для РНК-полимеразы II (рис. 1.6) содержит универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-моти- вы). При этом та или иная промоторная область может включать либо одну из указанных последовательностей, либо комбинацию двух или трех таких последовательностей. Также для инициации транскрипции эукариотические РНК-полимеразы нуждаются в белках — факторах транскрипции.

Рис. 1.6.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. На рисунке 1.7 представлена структура эукариотического транскриптона. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула РНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Рис. 1.7.

Процессинг
мРНК у эукариот включает три этапа: кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг. Модификация 5’-конца, называемая копированием,
представляет собой присоединение к 5’-концу транскрипта гуанозинтрифосфата (ГТФ) необычной 5’-5’- связью. Реакция катализируется ферментом гуанилилтрансферазой. Затем происходит метилирование присоединенного гуанина и первых нуклеотидов транскрипта. Функциями «кэпа» (от англ, cap
— колпачок, шапочка), вероятно, являются защита 5’-конца мРНК от ферментативной деградации, взаимодействие с рибосомой при инициации трансляции и транспорт мРНК из ядра. Модификация З’-конца (по- лиаденилирование)
— это присоединение к З’-концу РНК-транскрип- та от 100 до 300 остатков адениловой кислоты. Процесс катализируется ферментом polyA-полимеразой. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на З’-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА. Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды. Третий этап процессинга — сплайсинг
состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В сплайсинге принимают участие короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и первичного транскрипта способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания нитронов из гяРНК.

Следует отметить, что у эукариот процессингу подвергается большинство типов РНК, в то время как у прокариот мРНК процессингу не подвергается, и трансляция синтезируемой молекулы мРНК может начаться до завершения транскрипции.

Трансляция
как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5’ -> 3’). В клетках прокариот генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме, что определяет сопряженность процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5’-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции и трансляции разделены в пространстве и во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей транспортировки из ядра в цитоплазму, где будет осуществляться синтез полипептида.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основных стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК и белков (рис. 1.8). В составе рибосомы имеются две структурные субъединицы (большая и малая), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т.е. по коэффициенту седиментации (величине S). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рис. 1.8.

Рибосомы прокариот состоят из большой и малой субъединиц с величинами 50S и 30S соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы крупнее (60S и 40S). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то и здесь мы его рассмотрим на примере прокариот. Как видно из рис. 1.8, в рибосоме содержатся несколько активных центров: A-участок (аминоацильный), P-участок (пептидильный), Е-участок (для выхода пустой тРНК) и участок связывания мРНК.

В процесс трансляции вовлечены также молекулы тРНК, функции которых состоят в участии в транспорте аминокислот из цитозоля к рибосомам и в распознавании кодона мРНК. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном молекулы мРНК, и акцепторный участок (на З’-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.3). Каждая аминокислота, участвующая в процессе трансляции, прежде чем переместиться к рибосоме, должна присоединиться к определенной тРНК с помощью соответствующего варианта фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии молекул АТФ. Образование комплекса аминоацил-тРНК проходит в два этапа.

• 1. Активация аминокислоты: Аминокислота + АТФ -> аминоа- цил-АМФ + РР.
• 2. Присоединение аминокислоты к тРНК: Аминоацил-АМФ + + тРНК -> аминоацил-тРНК + АМФ.

Инициация
трансляции у прокариот сопровождается диссоциацией рибосомы на две субъединицы. Затем 5-8 нуклеотидная последовательность, расположенная на 5’-конце молекулы мРНК (последовательность Шайна — Далъгарно)
связывается с определенной областью малой субъединицы рибосомы таким образом, что в P-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы. Функциональная особенность такого P-участка во время инициации состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, а у бактерий — формилметионин. Поскольку синтез полипептида всегда начинается с N-конца и идет в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот — с N-метионина. Однако в дальнейшем эти аминокислоты, как правило, ферментативно отщепляются во время процессинга белковой молекулы. После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» P-участке становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р-участка и А-участка.

Процесс элонгации
начинается с доставки следующей аминоацил-тРНК в A-участок рибосомы и присоединения на основе принципа комплементарности ее антикодона к соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке. Затем образуется пептидная связь между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами, после чего происходит перемещение рибосомы на один кодон мРНК в направлении 5’ -» 3’, что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК) и от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму через Е-участок.

При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из А-участ- ка в P-участок, а освободившийся A-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

И инициация, и элонгация трансляции осуществляются с участием вспомогательных белковых факторов. На сегодняшний день у прокариот описано по три таких фактора для каждого из этапов синтеза белка.

Терминация
трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-кодонов мРНК (УАА, УАГ, УГА) в A-участок рибосомы. Поскольку эти кодоны не несут информации о какой-либо аминокислоте, но узнаются соответствующими факторами терминации, процесс синтеза полипептида прекращается, и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5’-ко- нец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом, в результате чего формируется структура, называемая полисомой
и представляющая собой несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу мРНК.

Механизм синтеза полипептида в эукариотической клетке принципиально схож с таковым у прокариот. Однако отличаются вовлеченные в процесс белковые факторы.

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы. На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной струк- зв туры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно привести молекулу гемоглобина человека, состоящую из двух а-цепочек и двух (3-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру. Каждая из глобино- вых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Фрагмент кодирующей цепи ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: 5’-ГАТТЦТГАЦТЦАТТГЦАГ-3’

Определите ориентацию и нуклеотидную последовательность мРНК, синтезируемой на указанном фрагменте ДНК, и аминокислотную последовательность кодируемого ею полипептида.

• 2. Можно ли однозначно определить нуклеотидную последовательность мРНК и комплементарной ей нити ДНК, если известна аминокислотная последовательность кодируемого ими полипептида? Дайте обоснование своего ответа.
• 3. Запишите все варианты фрагментов мРНК, которые могут кодировать следующий фрагмент полипептида: Фен — Мет — Цис.
• 4. Какие аминокислоты могут транспортировать к рибосомам тРНК с антикодонами: АУГ, ААА, ГУЦ, ГЦУ, ЦГА, ЦУЦ, УАА, УУЦ?
• 5. Как можно объяснить то обстоятельство, что размеры нуклеотидной последовательности структурного гена (3-глобина (1380 пар нуклеотидов) значительно превышают величину, необходимую для кодирования соответствующего полипептида, состоящего из 146 аминокислотных остатков?

После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые
выяснили как рекомбенируется ДНК, ее
состав и как устроен наш человеческий геном.

Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.

Что такое наследственная информация?

Итак, с чего все начиналось? Еще
в 1868 нашли в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.

Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных
нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной
информацией называется геном.

В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной
информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.

Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.

Функции ДНК

К функциям относятся хранение наследственной информации и ее
передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий.
Организмы, которые претерпели серьезные
мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.

Еще
одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.

Состав нуклеиновых кислот

Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:

• Ортофосфорная кислота.
• Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
• Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.

Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.

Уровни организации наследственной информации

Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.

Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным
законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.

Разделяют несколько видов генов:

• по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
• по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.

Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка
.

А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.

Каков генетический код человека?

Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка
уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.

У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая — от матери.

Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается
одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается
дочерям. Половая У-хромосома передается
сыновьям.

Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом — №17. А самая большая пара — 1 и 3.

Диаметр двойной спирали у человека — всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее
длина будет достигать 2 метров, если ее
раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.

Как передается генетический код?

Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации — находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое
ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.

Но у человека другой процесс передачи генов — половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.

Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.

Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.

Реализация наследственной информации

В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.

Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.

Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем
этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.

Принцип комплементарности

Состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый
заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.

На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.

РНК и его виды

Что такое наследственная информация? нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем
заключается ее
работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее
и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.

Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.

1. Информационная (иРНК)
   , или еще
   ее
   называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
2. Транспортная
   — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
3. рРНК — рибосомная.
   Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.

Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.

Репарация поврежденной молекулы ДНК

Процесс восстановления поврежденной
двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные
гены удаляются.

Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.

Почему происходят мутации?

Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен
на тимин.

Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.

Геномные мутации наиболее серьезны
. Их причина — это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.

Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.

Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.

Важнейшие функции организма — обмен веществ, рост, развитие, передача наследственности, движение и др. — осуществляются в результате множества химических реакций с участием белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. При этом в клетках непрерывно синтезируются разнообразные соединения: строительные белки, белки-ферменты, гормоны. В ходе обмена эти вещества изнашиваются и разрушаются, а вместо них образуются новые. Поскольку белки создают материальную основу жизни и ускоряют все реакции обмена веществ, жизнедеятельность клетки и организма в целом определяется способностью клеток синтезировать специфические белки. Их первичная структура предопределена генетическим кодом в молекулеДНК.

Молекулы белков состоят из десятков и сотен аминокислот (точнее, из аминокислотных остатков). Например, в молекуле гемоглобина их около 600, и они распределены в четыре полипептидные цепочки; в молекуле рибонуклеазы таких аминокислот 124 и т. д.

Главная роль в определении первичной структуры белка принадлежит молекулам ДНК.
Разные ее участки кодируют синтез разных белков, следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе многих индивидуальных белков. Свойства белков зависят от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, и каждой аминокислоте соответствует определенный триплет. Экспериментально доказано, что, например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет АЦЦ — триптофану, триплет АЦА-цистеину и т.д. Распределив молекулу ДНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупность триплетов составляет материальную основу генов, а каждый ген содержит информацию о структуре специфического белка (ген — это основная биологическая единица наследственности; в химическом отношении ген есть участок ДНК, включающий несколько сотен пар нуклеотидов).

Генетический код —
исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них несет информацию о последовательности аминокислот в белковых молекулах. Свойства кода:

триплетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полииептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон обусловливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для большинства аминокислот существует несколько кодонов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК.
(В.Б. Захаров. Биология. Справочные материалы. М.,1997)

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником служит и РНК, на которую нуклеотидная последовательность переписывается, в точном соответствии с таковой на ДНК — по принципу комплементарности. Этот процесс получил название транскрипции
и протекает как реакция матричного синтеза. Он характерен только для живых структур и лежит в основе важнейшего свойства живого — самовоспроизведения. Биосинтезу белка предшествует матричный синтез иРНК на нити ДНК. Возникшая при этом иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы, сюда же с помощью тРЙК доставляются аминокислоты.

Синтез белка — сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Вначале аминокисдоты в цитоплазме активируются с помощью ферментов и присоединяются к тРНК (к участку, где расположен нуклеотид ЦЦА). На следующем этапе идет соединение аминокислот в таком порядке, в каком чередование нуклеотидов с ДНК передано на иРНК. Этот этап называется трансляцией.
На нити иРНК размещается не одна рибосома, а группа их — такой комплекс называется полисома (Н.Е. Ковалев, Л.Д. Шевчук, О.И. Щуренко. Биология для подготовительных отделений медицинских институтов).

Схема
Биосинтез белка

Синтез белка состоит из двух этапов — транскрипции и трансляции.

I. Транскрипция (переписывание) — биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.

II. Трансляция (передача) — синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:

1. Образование функционального центра рибосомы — ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) — центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) — центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.

2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс «кодон рРНК и тРНК с аминокислотой» перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего тРНК покидает рибосому.

3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматиче-ской сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) —> РНК (трансляция) —> белок.

Завершив один цикл, полисомы могут принять участие в синтезе новых молекул белка.

Отделившаяся от рибосомы молекула белка имеет вид нити, которая биологически неактивна. Биологически функциональной она становится после того, как молекула приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру, т. е. определенную пространственно специфическую конфигурацию. Вторичная и последующие структуры белковой молекулы предопределены в информации, заложенной в чередовании аминокислот, т. е. в первичной структуре белка. Иначе говоря, программа образования глобулы, ее уникальная конфигурация определяются первичной структурой молекулы, которая в свою очередь строится под контролем соответствующего гена.

Скорость синтеза белка обусловлена многими факторами: температурой среды, концентрацией водородных ионов, количеством конечного продукта синтеза, присутствием свободных аминокислот, ионов магния, состоянием рибосом и др.

Хранящаяся в ДНК генетическая информация реализуется в процессе биосинтеза белка.

ДНК сосредоточена в ядре клетки, а белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах. Для биосинтеза белка необходимо доставить генетическую информацию из ядра клетки к рибосомам. Роль посредника, обеспечивающего передачу генетической информации от ядра клетки к рибосомам, выполняют матричные, или информационные, РНК (мРНК, или иРНК).

Матричные РНК представляют собой полинуклеотидные цепочки с молекулярными массами от 150 тысяч до 5 миллионов дальтон. Они синтезируются в ядре клетки. В ходе биосинтеза мРНК генетическая информация «переписывается» с небольшого участка ДНК, включающего один или несколько генов, на молекулу мРНК. Синтез матричной РНК на значащей нити ДНК получил название транскрипции
(лат. «transcriptio » — переписывание).

Процесс транскрипции генетической информации сходен с процессом репликации ДНК. Биосинтез мРНК начицается с расплетания двойной спирали ДНК на небольшом участке.

Свободные рибонуклеозидтрифосфаты с помощью Водородных связей присоединяются к нуклеотидам расплетенного участка ДНК в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований.

Образование мРНК происходит путем переноса от рибонуклеозидтрифосфатов остатков рибонуклеотидов к третьему атому углерода рибозы концевого нуклеотида синтезируемой полинуклеотидной цепи. При этом происходит разрыв Макроэргических связей в молекулах рибонуклеозидтрифосфатов с выделением пирофосфата, что обеспечивает процесс транскрипции необходимой энергией. Биосинтез мРНК катализирует фермент РНК-полимераза.

Большую роль в процессе транскрипции играют специальные белки, которые тонко регулируют его ход.

Синтезированная в процессе транскрипции мРНК Поступает из ядра клетки в рибосому — цитоплазматическую серганеллу, по химической природе представляющую собой нукдеопротеид — сложный белок, небелковым компонентом которого является рибонуклеиновая кислота.

РНК, участвующие в построении тела рибосомы («рибонуклеиновая кислота» + гр. «сома» — тело), называют рибосомальными (рРНК). Рибосомы построены из двух субчастиц — большой и малой. В построении каждой из них участвуют большое количество разных белков и различные рРНК. Молекулярная масса рибосомальных РНК колеблется от 55000 до 1600000 дальтон и более. Синтез рРНК, также как и синтез мРНК, происходит в ядре клетки и контролируется ДНК.

Матричная РНК закрепляется в рибосоме. Теперь рибосоме необходимо воспроизвести полученную информацию, записанную в нуклеотидной последовательности мРНК четырехбуквенным «языком» азотистых оснований, на двадцатибуквенном «языке» в виде последовательности аминокислот в полипептидной цепочке синтезируемого белка. Процесс перевода генетической информации с «языка» азотистых оснований на «язык» аминокислот называют трансляцией
(лат. «translation» — передача).

Доставку аминокислот к рибосомам обеспечивают транспортные РНК (тРНК). Молекулярные массы тРНК относительно невелики и варьируют в пределах от 17000 до 35000 дальтон. Синтезом тРНК в клетке управляет ДНК.

Процесс биосинтеза белка требует энергетических затрат. Для того чтобы аминокислоты соединились друг с другом пептидной связью, их необходимо активировать. Аминокислоты активируются с участием АТФ и тРНК. Эти реакции катализирует фермент аминоацил-тРНК-синтетаза.

Реакции активирования каждой из протеиногенных аминокислот катализируются своей аминоацил-тРНК-синтетазой.

Эти ферменты позволяют аминокислотам и тРНК безошибочно узнавать друг друга. В результате каждая аминокислота присоединяется к конкретной тРНК. Транспортные РНК называют по присоединяющейся аминокислоте, например: валиновая тРНК, аланиновая тРНК, сериновая тРНК и т. д.

Полинуклеотидные цепочки тРНК имеют пространственную структуру, напоминающую по форме клеверный лист. К одному из концов тРНК присоединяется аминокислота. На другой стороне молекулы тРНК в одной из петель «клеверного листа» имеется триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Этот антикодон комплементарен одному из триплетов мРНК — кодону. Генетический код кодона соответствует аминокислоте, соединенной с тРНК, обладающей комплементарным антикодоном.

Кодоны в зрелой мРНК следуют один за другим непрерывно: они не отделены друг от друга некодирующими участками и не перекрываются.

Аминоацил-тРНК последовательно поступают в рибосомы.

Здесь всякий раз между комплементарными антикодоном тРНК и кодоном мРНК возникают водородные связи. При этом аминогруппа последующей аминокислоты взаимодействует с

Карбоксильной группой предыдущей аминокислоты с образованием пептидной связи.

Синтез любого белка в клетке всегда начинается с N-конца. После образования между аминокислотами пептидной связи рибосома перемещается вдоль цепи мРНК на один кодон. Когда рибосома достигает участка мРНК, содержащего один из трех «бессмысленных» триплетов — УАА, УАГ или УГА, дальнейший синтез полипептидной цепи обрывается. Для этих триплетов в клетке не существует тРНК с комплементарными антикодонами. «Бессмысленные» триплеты располагаются в конце каждого гена и показывают, что синтез данного белка на этом необходимо завершить. Поэтому эти триплеты называют терминирующими
(лат. «terminalis» — конечный). По окончании процесса трансляции генетического кода полипептидная цепочка покидает рибосому и формирует свою пространственную структуру, после чего белок приобретает способность к реализации присущей ему биологической функции. Процесс реализации генетической информации в результате транскрипции и трансляции называют экспрессией (лат. «expressio» — выражение) гена.

Биосинтез белка в клетке протекает не на отдельной рибосоме.

Матричная РНК связывается одновременно с несколькими рибосомами, при этом образуется полирибосомальный комплекс. В результате в клетке происходит синтез сразу нескольких одинаковых молекул белка.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа отдельной детали, выдаваемая в сборочный цех. Следует отметить, что ДНК не содержит чертежи взрослого
организма, а больше похожа на «рецепт» по его изготовлению.

Энциклопедичный YouTube

1
/
5

✪ Транскрипция — синтез мРНК

✪ От ДНК к белкам (ТРАНСЛЯЦИЯ иРНК)

✪ Процессинг (созревание РНК), часть 1: Кэпирование и Полиаденилирование.

✪ Процессинг (созревание) мРНК

✪ Транскрипция, трансляция и посттрансляционная модификация белка

Субтитры

История открытия

К середине XX века были накоплены научные данные, которые позволили заключить, что структура белков кодируется участками ДНК — генами . Однако непосредственный механизм кодирования не был установлен.

В 1961 году несколькими группами исследователей было прямо доказано существование короткоживущего РНК-посредника, близкого по структуре к генам в ДНК, который служит матрицей для синтеза белка, связываясь с рибосомами .

«Жизненный цикл»

Жизненный цикл молекулы мРНК начинается её «считыванием» с матрицы ДНК (транскрипция) и завершается её деградацией до отдельных нуклеотидов. Молекула мРНК в течение своей жизни может подвергаются различным модификациям перед синтезом белка (трансляцией). Эукариотические молекулы мРНК часто требуют сложной обработки и транспортировки из ядра — места синтеза мРНК, на рибосомы, где происходит трансляция, в то время как прокариотические молекулы мРНК этого не требуют и синтез РНК у них сопряжён с синтезом белка .

Транскрипция

Транскрипцией называют процесс копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК. Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой , строящей, согласно принципу комплементарности , копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Этот процесс как у эукариот, так и у прокариот организован одинаково. Основное различие между про- и эукариотами состоит в том, что у эукариот РНК-полимераза во время транскрипции ассоциируется с мРНК-обрабатывающими ферментами, поэтому у них обработка мРНК и транскрипция могут проходить одновременно. Короткоживущие необработанные или частично обработанные продукты транскрипции называются пре-мРНК
; после полной обработки — зрелая мРНК
.

Созревание эукариотической мРНК

В то время как мРНК прокариот (бактерий и архей), за редкими исключениями, сразу готовы к трансляции и не требуют специальной обработки, эукариотические пре-мРНК подвергаются интенсивным модификациям. Так, одновременно с транскрипцией происходит добавление на 5″-конец молекулы РНК специального модифицированного нуклеотида (кэпа), удаление определённых участков РНК (сплайсинг), а также добавление на 3″-конец адениновых нуклеотидов (так называемый полиадениновый, или поли(А)-, хвост) . Обычно эти посттранскрипционные изменения мРНК эукариот обозначают термином «процессинг мРНК».

Кэпирование является первым этапом процессинга мРНК. Оно осуществляется, когда синтезируемый транскрипт достигает длины 25-30 нуклеотидов . Сразу после присоединения кэпа к 5″-концу транскрипта с ним связывается кэп-связывающий комплекс CBC (англ. cap binding complex
), который остаётся связанным с мРНК до завершения процессинга и важен для всех последующих его этапов . В процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются не кодирующие белок последовательности — интроны . Полиаденилирование необходимо для транспорта большинства мРНК в цитоплазму и защищает молекулы мРНК от быстрой деградации (увеличивает время их полужизни). Лишённые поли(А)-участка молекулы мРНК (например, вирусные) быстро разрушаются в цитоплазме клеток эукариот рибонуклеазами .

После завершения всех стадий процессинга мРНК проходит проверку на отсутствие преждевременных стоп-кодонов , после чего она становится полноценной матрицей для трансляции . В цитоплазме кэп узнаётся факторами инициации , белками, отвечающими за присоединение к мРНК рибосомы, полиадениновый хвост связывается со специальным поли(А)-связывающим белком PABP1.

Сплайсинг

Сплайсинг — это процесс, в котором из пре-мРНК удаляются участки, не кодирующие белок, называемые интронами ; последовательности, которые остаются, несут информацию о структуре белка и называются экзонами . Иногда продукты сплайсинга пре-мРНК могут быть соединены разными способами, позволяя одному гену кодировать несколько белков. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом . Сплайсинг обычно производится РНК-белковым комплексом, который называется сплайсосома , но некоторые молекулы мРНК также могут катализировать сплайсинг без участия белков (см. рибозимы) .

Транспорт

Другое различие между эукариотами и прокариотами — транспорт мРНК. Из-за того, что эукариотические транскрипция и трансляция пространственно разделены, эукариотические мРНК должны быть выведены из ядра в цитоплазму . Зрелые мРНК распознаются по наличию модификаций и покидают ядро через ядерные поры , в цитоплазме мРНК образует нуклеопротеидные комплексы — информосомы, в составе которых транспортируется к рибосомам . Многие мРНК содержат сигналы, которые определяют их локализацию. В нейронах мРНК должна транспортироваться из тела нейронов в дендриты , где трансляция происходит в ответ на внешние раздражители .

Экспорт мРНК осуществляется при участии комплекса транспортных факторов Mex67-Mtr2 (у дрожжей) или TAP-p15 (у многоклеточных) . Однако этот комплекс связывает мРНК не напрямую, а через адаптерный белок Yra1 (у дрожжей) или ALY/REF (у многоклеточных), который является одной из субъединиц белкового комплекса TREX. В свою очередь, TREX привлекается в комплекс с мРНК за счёт прямого взаимодействия ALY/REF с CBC80 субъединицей кэп -связывающего комплекса . Такой механизм обеспечивает присоединение транспортного комплекса близко к 5″-концу мРНК и соответствующую направленность её транспорта, 5″-концом в сторону цитоплазмы.

Метилирование

Трансляция

Поскольку прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция
рибосомой может начаться немедленно после транскрипции. Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена
с транскрипцией и происходит ко-транскрипционно
.

Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах , находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума . Таким образом, у эукариот трансляция не
совмещена напрямую с транскрипцией.

Регуляция трансляции

Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции . У эукариот из-за необходимости процессинга и транспорта мРНК ответ на внешние стимулы занимает больше времени. Поэтому их синтез белка интенсивно регулируется на посттранскрипционном уровне. Не всякая зрелая мРНК транслируется, поскольку в клетке существуют механизмы регуляции экспрессии белков на посттранскрипционном уровне, например, РНК-интерференция .

Некоторые мРНК в действительности содержат два тандемных терминаторных кодона (стоп-кодона) — часто это кодоны различного типа на конце кодирующей последовательности .

Строение зрелой мРНК

Зрелая мРНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: «5″-кэп», 5″-нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3″-нетранслируемая область и 3″-полиадениновый «хвост».

5″-Кэп

3″-полиадениновый хвост

Длинная (часто несколько сотен нуклеотидов) последовательность адениновых оснований, которая присутствует на 3″-«хвосте» мРНК эукариот , синтезируется ферментом полиаденилатполимеразой. У высших эукариот поли(А)-хвост добавляется к транскрибированной РНК, которая содержит специфическую последовательность, AAUAAA. Важность этой последовательности можно увидеть на примере мутации в гене человеческого 2-глобина , которая изменяет AAUAAA на AAUAAG, что приводит к недостаточному количеству глобина в организме .

Вторичная структура

Кроме первичной структуры (последовательности нуклеотидов), мРНК обладает вторичной структурой. В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).

Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел

Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот , селенометионина и пирролизина , зависит от стебля-петли, расположенной в 3″-нетранслируемой области. Псевдоузлы служат для программированного изменения рамки считывания генов. Также вторичная структура служит для замедления деградации определенных мРНК

Разрушение

Различные мРНК имеют различную продолжительность жизни (стабильность). В клетках бактерий молекула мРНК может существовать от нескольких секунд до более часа, а в клетках млекопитающих от нескольких минут до нескольких дней. Чем больше стабильность мРНК, тем больше белка может быть синтезировано с данной молекулы. Ограниченное время жизни мРНК клетки позволяет быстро изменять синтез белка в ответ на изменяющиеся потребности клетки. По прошествии некоторого времени, определяемого её нуклеотидной последовательностью, в частности, длиной полиаденинового участка на 3″-конце молекулы, мРНК разрушается на составляющие её нуклеотиды с участием РНКаз . К настоящему времени известно много механизмов деградации мРНК, некоторые из которых описаны ниже.

Деградация мРНК у прокариот

У прокариот стабильность мРНК намного меньше, чем у эукариот. Деградация мРНК в клетках прокариот происходит под действием комбинации рибонуклеаз, в том числе эндонуклеаз, 3″-экзонуклеаз и 5″-экзонуклеаз. В некоторых случаях малые молекулы РНК длиной от десятков до сотен нуклеотидов могут стимулировать деградацию мРНК, комплементарно спариваясь с соответствующими последовательностями в мРНК и содействуя рибонуклеазам . Недавно было показано, что бактерии имеют нечто вроде кэпа — трифосфат на 5″-конце . Удаление двух фосфатов оставляет монофосфат на 5″-конце, в результате чего мРНК расщепляется эндонуклеазой РНКаза E .

У эукариот

Как правило, разрушение начинается с удаления кэпа на 5″-конце, полиаденинового хвоста на 3″-конце, и затем нуклеазы одновременно разрушают мРНК в направлениях 5″ ->3″ и 3″ ->5″. мРНК, в которой сигнал завершения синтеза белка, стоп-кодон, в результате ошибки транскрипции находится в середине кодирующей последовательности, подвержена особой быстрой форме деградации, НМД (nonsense-mediated decay).

Методы определения

В последнее время разработаны очень чувствительные методы, позволяющие проанализировать «транскриптом» из образцов размером в 50-100 клеток .

См. также

Литература

1. Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter.
   Molecular Biology of the Cell. — 5. — Garland Science, 2008. — 1392 с. — ISBN 0815341059 .
   
2. Ичас М.
   Биологический код. — Москва: Мир, 1971.
   
3. Crick F. H.
   // Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol.. — 1966. — Т. 31
   . — С. 1-9
   . — PMID 5237190 .
   
4. Спирин А. С.
   Глава II. Информационная РНК и генетический код
   // Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка. — Москва: Высшая школа, 1986. — С. 9-11.
   
5. Belozersky A. N., Spirin A. S.
   A correlation between the compositions of deoxyribonucleic and ribonucleic acids // Nature. — 1958. — Т. 182
   , вып. 4628
   . — С. 111-112
   . — PMID 13566202 .
   
6. Volkin E., Astrachan L.
   Intracellular distribution of labeled ribonucleic acid after phage infection of Escherichia coli // Virology. — 1956. — Т. 2
   , вып. 4
   . — С. 433-437
   . — PMID 13352773 .
   
7. Volkin E., Astrachan L.
   Phosphorus incorporation in Escherichia coli ribo-nucleic acid after infection with bacteriophage T2 // Virology. — 1956. — Т. 2
   , вып. 2
   . — С. 149-161
   . — PMID 13312220 .
   
8. Brenner S., Jacob F., Meselson M.
   An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis // Nature. — 1961. — Т. 190
   . — С. 576-581
   . — PMID 20446365 .
   
9. Gros F., Hiatt H., Gilbert W., Kurland C. G., Risebrough R. W., Watson J. D.
   Unstable ribonucleic acid revealed by pulse labelling of Escherichia coli // Nature. — 1961. — Т. 190
   . — С. 581-585
   . — PMID 13708983 .
   
10. Alberts, Bruce.
    Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition . — New York and London: Garland Science, 2002. — ISBN ISBN 0-8153-3218-1 .
    
11. Moore MJ, Proudfoot NJ (2009). “Pre-mRNA processing reaches back to transcription and ahead to translation”. Cell
    . 20
    : 688–700. PMID .
    
12. Rasmussen EB, Lis JT. (1993). “In vivo transcriptional pausing and cap formation on three Drosophila heat shock genes” . Proc Natl Acad Sci U S A
    . 90
    : 7923-7927. PMID .
    
13. Topisirovic I., Svitkin Y. V., Sonenberg N., Shatkin A. J. (2011). “Cap and cap-binding proteins in the control of gene expression”. Wiley Interdiscip Rev RNA
    . 2
    (2): 277-298. DOI :10.1002/wrna.52 . PMID .
    
14. Maquat L. E. (2004). “Nonsense-mediated mRNA decay: splicing, translation and mRNP dynamics”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol
    . 5
    (2): 89-99. DOI :10.1038/nrm1310 . PMID .
    
15. Johnston W, Unrau P, Lawrence M, Glasner M, Bartel D (2001). “RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension” (PDF)
    . Science
    . 292
    (5520): 1319–25. PMID .
    
16. Paquin N, Chartrand P. (2008). “Local regulation of mRNA translation: new insights from the bud”. Trends Cell Biol
    . 18
    : 105–11. Текст «PMID: 18262421 » пропущен (справка)
    
17. Ainger, Kevin; Avossa, Daniela; Diana, Amy S. & Barry, Christopher (1997), «Transport and Localization Elements in Myelin Basic Protein mRNA «, The Journal of Cell Biology
    Т. 138 (5): 1077–1087, PMID 9281585 , doi :10.1083/jcb.138.5.1077 ,
    
18. Job, C. & Eberwine, J. (1912), «Localization and translation of mRNA in dendrites and axons «, Nat Rev Neurosci
    Т. 2001 (12): 889–98, PMID 11733796 , doi :10.1038/35104069 ,
    
19. Köhler A., Hurt E. (2007). “Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol
    . 8
    (10): 761-773.

Различные виды ДНК и РНК — нуклеиновых кислот — это один из объектов изучения молекулярной биологии. Одним из наиболее многообещающих и быстро развивающихся направлений в этой науке в последние годы стало исследование РНК.

Кратко о строении РНК

Итак, РНК, рибонуклеиновая кислота, — это биополимер, молекула которого представляет собой цепочку, образованную четырьмя видами нуклеотидов. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из азотистого основания (аденина А, гуанина Г, урацила У либо цитозина Ц) в соединении с сахаром рибозой и остатком фосфорной кислоты. Фосфатные остатки, соединяясь с рибозами соседних нуклеотидов, «сшивают» составные блоки РНК в макромолекулу — полинуклеотид. Так образуется первичная структура РНК.

Вторичная структура — образование двойной цепочки — образуется на некоторых участках молекулы в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: аденин образует пару с урацилом посредством двойной, а гуанин с цитозином — тройной водородной связи.

В рабочей форме молекула РНК образует также третичную структуру — особое пространственное строение, конформацию.

Синтез РНК

Все виды РНК синтезируются при помощи фермента РНК-полимеразы. Она может быть ДНК- и РНК-зависимой, то есть катализировать синтез как на ДНК, так и на РНК-матрице.

Синтез основан на комплементарности оснований и антипараллельности направления чтения генетического кода и протекает в несколько этапов.

Сначала происходит узнавание и связывание РНК-полимеразы с особой последовательностью нуклеотидов на ДНК — промотором, после чего двойная спираль ДНК раскручивается на небольшом участке и начинается сборка молекулы РНК над одной из цепочек, называемой матричной (другая цепочка ДНК называется кодирующей — именно ее копией является синтезируемая РНК). Асимметричность промотора определяет, какая из цепочек ДНК будет служить матрицей, и тем самым позволяет РНК-полимеразе инициировать синтез в правильном направлении.

Следующий этап называется элонгацией. Транскрипционный комплекс, включающий РНК-полимеразу и расплетенный участок с гибридом ДНК-РНК, начинает движение. По мере этого перемещения наращиваемая цепочка РНК постепенно отделяется, а двойная спираль ДНК расплетается перед комплексом и восстанавливается за ним.

Завершающий этап синтеза наступает, когда РНК-полимераза достигает особого участка матрицы, называемого терминатором. Терминация (окончание) процесса может достигаться различными способами.

Основные виды РНК и их функции в клетке

Они следующие:

• Матричная или информационная (мРНК). Посредством ее осуществляется транскрипция — перенос генетической информации с ДНК.
• Рибосомная (рРНК), обеспечивающая процесс трансляции — синтез белка на матрице мРНК.
• Транспортная (тРНК). Производит узнавание и транспортировку аминокислоты на рибосому, где происходит синтез белка, а также принимает участие в трансляции.
• Малые РНК — обширный класс молекул небольшой длины, осуществляющих разнообразные функции в ходе процессов транскрипции, созревания РНК, трансляции.
• РНК-геномы — кодирующие последовательности, которые содержат генетическую информацию у некоторых вирусов и вироидов.

В 1980-х годах была открыта каталитическая активность РНК. Молекулы, обладающие этим свойством, получили название рибозимов. Естественных рибозимов пока известно не так много, каталитическая способность их ниже, чем у белков, однако в клетке они выполняют исключительно важные функции. В настоящее время ведутся успешные работы по синтезу рибозимов, имеющие в том числе и прикладное значение.

Остановимся подробнее на различных видах молекул РНК.

Матричная (информационная) РНК

Эта молекула синтезируется над расплетенным участком ДНК, копируя таким образом ген, кодирующий тот или иной белок.

РНК эукариотических клеток, прежде чем стать, в свою очередь, матрицей для синтеза белка, должны созреть, то есть пройти через комплекс различных модификаций — процессинг.

Прежде всего, еще на стадии транскрипции, молекула подвергается кэпированию: к ее концу присоединяется особая структура из одного или нескольких модифицированных нуклеотидов — кэп. Он играет важную роль во многих последующих процессах и повышает стабильность мРНК. К другому концу первичного транскрипта присоединяется так называемый поли(А)хвост — последовательность адениновых нуклеотидов.

После этого пре-мРНК подвергается сплайсингу. Это удаление из молекулы некодирующих участков — интронов, которых много в ДНК эукариот. Далее происходит процедура редактирования мРНК, при которой химически модифицируется ее состав, а также метилирование, после чего зрелая мРНК покидает клеточное ядро.

Рибосомная РНК

Основу рибосомы — комплекса, обеспечивающего белковый синтез, составляют две длинные рРНК, которые образуют субчастицы рибосомы. Синтезируются они совместно в виде одной пре-рРНК, которая затем в ходе процессинга разделяется. В большую субчастицу входит также низкомолекулярная рРНК, синтезируемая с отдельного гена. Рибосомные РНК обладают плотно упакованной третичной структурой, которая служит каркасом для белков, присутствующих в рибосоме и выполняющих вспомогательные функции.

В нерабочей фазе субъединицы рибосомы разделены; при инициации трансляционного процесса рРНК малой субчастицы соединяется с матричной РНК, после чего происходит полное объединение элементов рибосомы. При взаимодействии РНК малой субчастицы с мРНК последняя как бы протягивается через рибосому (что равнозначно движению рибосомы по мРНК). Рибосомная РНК большой субчастицы является рибозимом, то есть обладает ферментными свойствами. Она катализирует образование пептидных связей между аминокислотами в ходе синтеза белка.

Следует отметить, что наибольшая часть всей РНК в клетке приходится на долю рибосомной — 70-80 %. ДНК обладает большим количеством генов, кодирующих рРНК, что обеспечивает весьма интенсивную ее транскрипцию.

Транспортная РНК

Эта молекула распознается определенной аминокислотой при помощи особого фермента и, соединяясь с ней, производит транспортировку аминокислоты на рибосому, где служит посредником в процессе трансляции — синтеза белка. Перенос осуществляется путем диффузии в цитоплазме клетки.

Вновь синтезированные молекулы тРНК, так же как и другие виды РНК, подвергаются процессингу. Зрелая тРНК в активной форме имеет конформацию, напоминающую клеверный лист. На «черешке» листа — акцепторном участке — расположена последовательность ЦЦА с гидроксильной группой, которая связывается с аминокислотой. На противоположном конце «листа» находится антикодоновая петля, которая соединяется с комплементарным кодоном на мРНК. D-петля служит для связывания транспортной РНК с ферментом при взаимодействии с аминокислотой, а Т-петля — для связывания с большой субчастицей рибосомы.

Малые РНК

Эти виды РНК играют важную роль в клеточных процессах и сейчас активно изучаются.

Так, например, малые ядерные РНК в клетках эукариот участвуют в сплайсинге мРНК и, возможно, обладают каталитическими свойствами наряду с белками сплайсосом. Малые ядрышковые РНК участвуют в процессинге рибосомной и транспортной РНК.

Малые интерферирующие и микроРНК являются важнейшими элементами системы регуляции экспрессии генов, необходимой клетке для контроля собственной структуры и жизнедеятельности. Эта система — важная часть иммунного антивирусного ответа клетки.

Существует также класс малых РНК, функционирующих в комплексе с белками Piwi. Эти комплексы играют огромную роль в развитии клеток зародышевой линии, в сперматогенезе и в подавлении мобильных генетических элементов.

РНК-геном

Молекула РНК может использоваться в качестве генома большинством вирусов. Вирусные геномы бывают различными — одно- и двухцепочечными, кольцевыми или линейными. Также РНК-геномы вирусов часто бывают сегментированы и в целом короче, чем ДНК-содержащие геномы.

Существует семейство вирусов, генетическая информация которых, закодированная в РНК, после инфицирования клетки путем обратной транскрипции переписывается на ДНК, которая затем внедряется в геном клетки-жертвы. Это так называемые ретровирусы. К ним, в частности, относится вирус иммунодефицита человека.

Значение исследования РНК в современной науке

Если прежде преобладало мнение о второстепенной роли РНК, то ныне ясно, что она — необходимый и важнейший элемент внутриклеточной жизнедеятельности. Множество процессов первостепенной значимости не обходятся без активного участия РНК. Механизмы таких процессов долгое время оставались неизвестными, но благодаря исследованию различных видов РНК и их функций постепенно проясняются многие детали.

Не исключено, что РНК сыграла решающую роль в возникновении и становлении жизни на заре истории Земли. Результаты недавних исследований говорят в пользу этой гипотезы, свидетельствуя о необычайной древности многих механизмов функционирования клетки с участием тех или иных видов РНК. Например, недавно открытые рибопереключатели в составе мРНК (система безбелковой регуляции активности генов на стадии транскрипции), по мнению многих исследователей, являются отголосками эпохи, когда примитивная жизнь строилась на основе РНК, без участия ДНК и белков. Также весьма древним компонентом системы регуляции считаются микроРНК. Особенности структуры каталитически активной рРНК свидетельствуют о ее постепенной эволюции путем присоединения новых фрагментов к древней проторибосоме.

Тщательное изучение того, какие виды РНК и каким образом заняты в тех или иных процессах, исключительно важно также для теоретических и прикладных областей медицины.

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота
(ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С
) и фосфатной (Ф
) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т
), гуанин — только с цитозином (Г-Ц
). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).

Рис.
2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование
новой ДНК (репликация)

1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
   
2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
   
3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.
   

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота
(ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты
— это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ

состоят из азотистого основания
, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) — дезоксирибозой
(в случае ДНК) или рибозой
(в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).

Азотистые основания
бывают двух типов: пиримидиновые основания — урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания — аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль
. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей
. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин — с гуанином. Это называется правилом комплементарности
.

Правило комплементарности:

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG — 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении — от 5’-конца к 3’-концу:

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК
— это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК
праймером

для синтеза ДНК является короткий фрагмент

(создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой
(ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез
— это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α
(Polα
), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ
(Polδ
), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему

репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см.

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется
ДНК-полимераза α
(альфа)
и в направлении 5″→3″ синтезирует праймер (РНК-затравку) — последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент
удаляется с нити ДНК.

Вместо
ДНК-полимеразы

α

к 3″-концу праймера присоединяется
ДНК-полимераза

ε
.

6)
ДНК-полимераза

ε

(эпсилон)
как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает
дезоксирибонуклеотиды
(в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей —
РНК
(т.е. праймер) и
ДНК
.
ДНК-полимераза
ε

работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего
фрагмента Оказаки
(синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7)
ДНК-полимераза β
(бета)
встает вместо

ДНК-полимеразы
ε
,
движется в том же направлении (5″→3″) и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный
ДНК-полимеразой
ε

).
Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи.

В результате на матрице материнской нити «лежит» фрагмент дочерней ДНК. Он называется
фрагмент Оказаки
.

ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки

, т.е. 5″-конца отрезка, синтезированного
ДНК-полимеразой
ε
,
и 3″-конца цепи, встроенного
ДНК-полимеразой
β

.

СТРОЕНИЕ РНК

Рибонуклеиновая кислота
(РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом
. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы.
Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т
) в РНК представлен урацил (U
)
, который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого
транскрипцией

, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами
.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом
трансляцией,

т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК — эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ — 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG — 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

а синтезируемая с нее РНК — последовательность

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка
на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код
— способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5″ к 3″ концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

• *Триплет AUG
  , также кодирующий метионин, называется старт-кодоном
  . С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.
  

• **Триплеты UAA
  , UAG
  и UGA
  называются стоп-кодонами
  и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.
  

Свойства генетического кода

1. Триплетность
. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — триплетом или кодоном.

2. Непрерывность
. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость
. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность
. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность
. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность
. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA
— 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT
— 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA
— 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC
— 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’- AUAUG
CUAGCUGCACGUUAGCC
— 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК — на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном — совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое
(видимое) свойство, например цвет глаз.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa
рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации
), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент»
. Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид»
, поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид — аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами
).

Современное биохимическое определение гена
еще более конкретно. Генами
называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности
могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена
, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов
). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру — нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli
, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека
примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli
имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli
приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами
(рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также:
Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

Примечание.
Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный

набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) — двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.

**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.

***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli
(табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila
, классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli.
Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n
) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17
). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а
, содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.

Рис. 17. Хромосомы эукариот.
а
— пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б
— полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Рассмотрим
строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность
— основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие
аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности
. Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции — транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор
— нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область
, включающая в себя промотор
и оператор
.

Промотор
— последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор
— это область, с которой могут связываться специальные белки — репрессоры
, которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена — иначе говоря, уменьшать его экспрессию
.

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается — и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) —
изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с
интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу — оперон
. Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона — регуляторы
. Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор
. Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции
.

Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот — изображение увеличивается

Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.

Строение генов у эукариот

Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы

У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).

Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами
, или встроенными
последовательностями
, а кодирующие сегменты — экзонами
. У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.

Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки — экзоны
, и нетранслируемые участки — интроны.

В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.

Рис. 16. Схема строение гена у эукариот — изображение увеличивается

С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.

После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.

Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга — изображение увеличивается

Такая организация генов позволяет, например, осуществить , когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.

Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот — изображение увеличивается

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ

Мутацией
называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.

Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом
, а организм, все
клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом
.

Мутационная теория
была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации передаются из поколения в поколение.

3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации не направленны.

Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных
воздействий
: физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации
.

В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные
— то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые
— то есть мутации, которые возникли при особых условиях.

Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные
и цитоплазматические
мутации.

В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной
. Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной
. Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.

По эффекту выделяют мутации адаптивные
, приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные
, не влияющие на выживаемость, вредные
, понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные
, приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.

По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка
, мутации, приводящие к возникновению
у белка новой функции
, а также мутации, которые изменяют дозу гена
, и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.

Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной
(герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической
. Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.

Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные
, хромосомные
и геномные
мутации.

Генные мутации

Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными
, или точечными (точковыми)
. Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют
замены
, приводящие к замене одного нуклеотида на другой,
делеции
, приводящие к выпадению одного из нуклеотидов,
инсерции
, приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.

Рис. 23. Генные (точечные) мутации

По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на:
синонимичные
, которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта,
миссенс-мутации
, которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными,
нонсенс-мутации
, приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон,
мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:

Рис. 24. Схемы мутаций

Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки
считывания
, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.

Рис. 29. Хромосома до и после дупликации

Геномные мутации

Наконец, геномные мутации
затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).

Видео по теме ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА

Первичная
структура РНК


– порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов
в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в
ДНК, нуклеотиды связаны между собой
3″,5″-фосфодиэфирными связями. Концы
полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы.
На одном конце находится фосфорилированная
ОН-группа 5″-углеродного атома, на другом
конце – ОН-группа 3″-углеродного атома
рибозы, поэтому концы называют 5″- и
3″-концами цепи РНК.

Вторичная
структура РНК

Молекула
рибонуклеиновой кислоты построена из
одной полинуклеотидной цепи. Отдельные
участки цепи РНК образуют спирализованные
петли – «шпильки», за счёт водородных
связей между комплементарными азотистыми
основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в
таких спиральных структурах антипараллельны,
но не всегда полностью комплементарны,
в них встречаются неспаренные нуклеотидные
остатки или даже одноцепочечные петли,
не вписывающиеся в двойную спираль.
Наличие спирализованных участков
характерно для всех типов РНК.

Третичная
структура РНК

Одноцепочечные
РНК характеризуются компактной и
упорядоченной третичной структурой,
возникающей путём взаимодействия
спирализованных элементов вторичной
структуры. Так, возможно образование
дополнительных водородных связей между
нуклеотидными остатками, достаточно
удалёнными друг от друга, или связей
между ОН-группами остатков рибозы и
основаниями. Третичная структура РНК
стабилизирована ионами двухвалентных
металлов, например ионами Mg
2+
,
связывающимися не только с фосфатными
группами, но и с основаниями.

Основные типы рнк

В
цитоплазме клеток присутствуют 3 типа
рибонуклеиновых кислот – транспортные
РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и
рибосомальные РНК (рРНК). Они различаются
по первичной структуре, молекулярной
массе, конформации, продолжительности
жизни и, самое главное, по функциональной
активности.

http

://

www

.

biochemistry

.

ru

/

biohimija

_

severina

/

B

5873

Part

25-141.

html

Методы определения первичной и вторичной структуры нуклеиновых кислот

Секвенирование


– это общее название методов, которые
позволяют установить последовательность
нуклеотидов в молекуле ДНК. В настоящее
время нет ни одного метода секвенирования,
который бы работал для молекулы ДНК
целиком; все они устроены так: сначала
готовится большое число небольших
участков ДНК (клонируется молекула ДНК
многократно и «разрезается» её в
случайных местах), а потом читается
каждый участок по отдельности.

Клонирование
происходит либо просто выращиванием
клеток в чашке Петри, либо (в случаях,
когда это было бы слишком медленно или
по каким-то причинам не получилось бы)
при помощи так называемой полимеразной
цепной реакции. В кратком и неточном
изложении работает она примерно так:
сначала ДНК денатурируют, т.е. разрушают
водородные связи, получая отдельные
нити. Затем к ДНК присоединяют так
называемые праймеры; это короткие
участки ДНК, к которым может присоединиться
ДНК-полимераза – соединение, которое,
собственно, и занимается копированием
(репликацией)
нити
ДНК
.
На следующем этапе полимераза копирует
ДНК, после чего процесс можно повторять:
после новой денатурации отдельных нитей
будет уже вдвое больше, на третьем цикле
– вчетверо, и так далее.

Все
эти эффекты достигаются в основном с
помощью изменений температуры смеси
из ДНК, праймеров и полимеразы; для наших
целей важно, что это достаточно точный
процесс, и ошибки в нём редки, а на выходе
получается большое число копий участков
одной и той же ДНК. Разные методы
секвенирования отличаются друг от друга
не методами клонирования, а тем, как
потом прочесть получившийся «суп» из
многочисленных копий одной и той же
ДНК.

Метод
ДНК-ДНК гибридизации


основан на том факте, что стабильность
ДНК-ДНК дуплексов при определенной
температуре зависит от числа нуклеотидов
образующих комплементарные пары.
Очевидно, что число комплементарных
нуклеотидов в дуплексе где обе нити
происходят из одной и той же молекулы
ДНК (т.е. в гомодуплексах) равно 100%. Если
же обе нити имеют разное происхождение
(гетеродуплекс), то, в зависимости от
числа произошедших мутаций, число
комплементарных пар будет меньше 100%.
Соответсвенно гетеродуплексы должны
распадаться (плавится) при более низкой
температуре, чем гомодуплексы. Причем,
чем ниже температура плавления, тем
больше различия в двух последовательностях.
Температурная стабильность гибридной
ДНК определяется температурой при
которой 50% гибридной ДНК диссоциировалось
в одноцепочечную форму. Затем эта
температура сравнивается со средней
температурой 50%-го плавления гомодуплексов
обоих типов последовательностей
участвующих в образовании гетеродуплекса,
эта температура обычно обозначается
Tm. Разница между медианной температурой
плавления гетеро- и гомодуплексов
обозначается как dTm. Показана линейная
зависимость dTm от числа неспаренных
оснований (
Britten et. al., 1974
): p=cdTm. Константа c обычно определяется
условиями проведения эксперимента и
обычно варьирует от 0.01 до 0.015. Определение
dTm требует большого числа повторений,
т.к. велика экспериментальная ошибка.

Основным
свойством ДНК является ее способность
к репликации.

http

://

postnauka

.

ru

/

longreads

/468

1.9.
Репликация
ДНК, транскрипция, трансляция, обратная
транскрипция. Амплификация ДНК. Биосинтез
белка, аминокислотный код. Организация
генов, строение генов у про- и эукариот,
понятие о клонировании.

Репликация

–
это процесс самоудвоения молекул ДНК,
происходящий под контролем ферментов.
Репликация осуществляется перед каждым
делением ядра. Начинается она с того,
что спираль ДНК временно раскручивается
под действием фермента ДНК-полимеразы.
На каждой из цепей, образовавшихся после
разрыва водородных связей, по принципу
комплементарности синтезируется
дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза
служат свободные нуклеотиды, которые
есть в ядре.

Схема
репликации ДНК

Таким
образом, каждая полинуклеотидная цепь
выполняет роль матрицы для новой
комплементарной цепи (поэтому процесс
удвоения молекул ДНК относится к реакциям
матричного синтеза). В результате
получается две молекулы ДНК, у каждой
из которых одна цепь остается от
родительской молекулы (половина), а
другая – вновь синтезированная. Причем
одна новая цепь синтезируются сплошной,
а вторая – сначала в виде коротких
фрагментов, которые затем сшиваются в
длинную цепь специальным ферментом –
ДНК-лигазой. В результате репликации
две новые молекулы ДНК представляют
собой точную копию исходной молекулы.

Биологический
смысл репликации


заключается в точной передаче
наследственной информации от материнской
клетки к дочерним, что и происходит при
делении соматических клеток.

http

://

sbio

.

info

/

page

.

php

?

id

=11

Литература:

1)
Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор – Биология.

2)
З.А. Шабарова и А.А. богданов – Химия
нуклеиновых кислот и их полимеров.

3)
А.П. Пехов – Биология и общая гинетика.

4)
А. Микельсон – Химия нуклеозидов и
нуклеотидов.

5)
З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане –
Органическая химия

Транскри́пция


– это процесс синтеза
РНК
с
использованием
ДНК
в
качестве матрицы, происходящий во всех
живых клетках. Другими словами, это
перенос генетической информации с ДНК
на РНК.

Транскрипция
катализируется

ферментом
ДНК-зависимой
РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК
протекает в направлении от 5″- к 3″- концу,
то есть по матричной цепи
ДНК
РНК-полимераза
движется
в направлении 3″- 5″.

Транскрипция
состоит из стадий инициации, элонгации
и терминации. Единицей транскрипции
является транскриптон, фрагмент молекулы
ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемой
части и терминатора.

Инициация
транскрипции


– это сложный процесс, зависящий от
последовательности ДНК вблизи
транскрибируемой последовательности
(а у
эукариот
также
и от более далеких участков
генома —
энхансеров
и
сайленсеров
)
и от наличия или отсутствия различных
белковых
факторов
.

Элонгация
транскрипции

Момент
перехода РНК-полимеразы от инициации
транскрипции к элонгации точно не
определен. Три основных биохимических
события характеризуют этот переход в
случае РНК-полимеразы
кишечной
палочки
:
отделение сигма-фактора,
первая
транслокация
молекулы
фермента
вдоль
матрицы и сильная стабилизация
транскрипционного комплекса, который
кроме РНК-полимеразы включает растущую
цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же
явления характерны и для РНК-полимераз
эукариот. Переход от инициации к элонгации
сопровождается разрывом связей между
ферментом,
промотором
,
факторами инициации транскрипции, а в
ряде случаев – переходом РНК-полимеразы
в состояние компетентности в отношении
элонгации. Фаза элонгации заканчивается
после освобождения растущего транскрипта
и
диссоциации
фермента
от матрицы (терминация).

На
стадии элонгации в
ДНК
расплетено
примерно 18 пар
нуклеотидов
.
Примерно 12 нуклеотидов матричной нити
ДНК образует гибридную спираль с растущим
концом цепи РНК. По мере движения
РНК-полимеразы по матрице впереди нее
происходит расплетание, а позади –
восстановление двойной спирали ДНК.
Одновременно освобождается очередное
звено растущей цепи РНК из комплекса с
матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения
должны сопровождаться относительным
вращением РНК-полимеразы и ДНК.

И урацил (в отличие от ДНК, содержащий вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусов.

Основные функции РНК
в клеточных организмах — это шаблон для трансляции генетической информации в белки и поставка соответствующих аминокислот к рибосомам. В вирусах является носителем генетической информации (кодирует белки оболочки и ферменты вирусов). Вироиды состоят из кольцевой молекулы РНК и не содержат в себе других молекул. Существует гипотеза мира РНК
, согласно которой, РНК возникли перед белками и были первыми формами жизни.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией,
то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразы. Затем матричные РНК (мРНК) участвуют в процессе, называемом трансляцией. Трансляция

— это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Для одноцепочечной РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а матричные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так мРНК участвуют в эукариотических матричных РНК и других процессах.

Кроме того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую в высших организмах выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, способная к самовоспроизведению в добиологических системах.

История изучения РНК

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году
швейцарским ученым Иоганном Фридрихом Мишером, который назвал эти вещества «нуклеин», поскольку они были обнаружены в ядре (лат. nucleus). Позже было обнаружено, что бактериальные клетки, в которых нет ядра, тоже содержат нуклеиновые кислоты.

Значение РНК в синтезе белков было предположено в 1939 году
в работе Торберна Оскара Касперссона, Жана Брачета и Джека Шульца. Джерард Маирбакс выделил первую матричную РНК, кодирующую гемоглобин кролика и показал, что при ее введении в ооциты образуется тот же самый белок.

В Советском Союзе в 1956-57 годах
проводились работы (А. Белозерский, А. Спирин, Э. Волкин, Ф. Астрахан) по определению состава РНК клеток, которые привели к выводу, что основную массу РНК в клетке составляют рибосомные РНК.

В 1959 году
Северо Очоа получил Нобелевскую премию по медицине за открытие механизма синтеза РНК. Последовательность из 77 нуклеотидов одной из тРНК дрожжей S. cerevisiae была определена в 1965 году
в лаборатории Роберта Холле, за что в 1968 году
он получил Нобелевскую премию по медицине.

В 1967
Карл Везе предположил, что РНК имеют каталитические свойства. Он выдвинул так называемую Гипотезу РНК-мира, в котором РНК прото-организмов служили и как молекулы хранения информации (сейчас эта роль выполняется ДНК) и как молекулы, которые катализировали метаболические реакции (сейчас это делают ферменты).

В 1976
Уолтер Фаерс и его группа из Гентского университета (Голландия) впервые определили последовательность генома РНК — содержащегося в вирусе, бактериофага MS2.

В начале 1990-х
было обнаружено, что введение чужеродных генов в геном растений приводит к подавлению выражения аналогичных генов растения. Примерно в это же время было показано, что РНК длиной около 22 оснований, которые сейчас называются микро-РНК, играют регуляторную роль в онтогенезе круглых червей.

Гипотеза о значении РНК в синтезе белков была высказана Торбьерном Касперссоном (Torbjörn Caspersson) на основе исследований 1937-1939 гг
., в результате которых было показано, что клетки, активно синтезирующие белок, содержат большое количество РНК. Подтверждение гипотезы было получено Юбером Шантренном (Hubert Chantrenne).

Особенности строения РНК

Нуклеотиды РНК состоят из сахара — рибозы, к которой в положении 1 «присоединена одна из основ: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа объединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3 «атомом углерода одной рибозы и в 5» положении другого. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК — можно назвать полианионом
.

РНК транскрибируется как полимер четырех оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C)), но в «зрелой» РНК есть много модифицированных оснований и сахаров. Всего в РНК насчитывается около 100 различных видов модифицированных нуклеозидов, из которых:
— 2″-О-метилрибоза
наиболее частая модификация сахара;
— Псевдоуридин
— наиболее часто модифицированная основа, которая встречается чаще всего. В псевдоуридине (Ψ) связь между урацилом и рибозой не C — N, а C — C, этот нуклеотид встречается в разных положениях в молекулах РНК. В частности, псевдоуридин важен для функционирования тРНК.

Еще одной модифицированной основой, о которой стоит сказать является — гипоксантин, деаминованний гуанин, нуклеозид которого носит название инозин
. Инозин играет важную роль в обеспечении вырожденности генетического кода.

Роль многих других модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК много пост-транскрипционных модификаций находятся в важных для функционирования рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующих в образовании пептидной связи. Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырех нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.

Важная структурная особенность РНК, отличающая ее от ДНК — наличие гидроксильной группы в 2 «положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, которая наиболее часто наблюдается в ДНК. В А-форме глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2 «гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть, не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять.

«Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой.
Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуется посредством водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого количества возможных вариантов спаривания оснований, предсказания вторичной структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем структуры белков, но в настоящее время есть эффективные программы, например, mfold.

Примером зависимости функций молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES — структура на 5 «конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требует наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5» конце и белковых факторов инициации. Сначала IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается все больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса. Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК (мяРНК) в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у ) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами
.

Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним — информационная РНК, иРНК)
— РНК, отвечающая за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется при трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) .
Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+) оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.

Подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибировать из отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, участвующие в процессе трансляции. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимами.

Транспортные (тРНК)
— малые, состоящие из примерно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты к месту синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодону мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствующее образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединенной к тРНК.

Рибосомальные РНК (рРНК)
— каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырех типов рРНК синтезируются на полисомах. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальными белками и формируют нуклеопротеины, называемые рибосомами. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80% РНК, обнаруживается в цитоплазме эукариотической клетки.

Необычный тип РНК, который действует в качестве тРНК и мРНК (тмРНК) обнаружен во многих бактериях и пластидах. При остановке рибосомы на дефектных мРНК без стоп-кодонов тмРНК присоединяет небольшой пептид, направляющий белок на деградацию.

Микро-РНК (21-22 нуклеотида в длину)
найдены у эукариот и влияют через механизм РНК-интерференции. При этом комплекс микро-РНК и ферментов может приводит к метилированию нуклеотидов в ДНК промотора гена, что служит сигналом для уменьшения активности гена. При использовании другого типа регуляции мРНК, комплементарная микро-РНК, деградирует. Однако есть и миРНК, которые увеличивают, а не уменьшают экспрессию генов.

Малые интерферирующие РНК (миРНК, 20-25 нуклеотидов)
часто образуются в результате расщепления вирусных РНК, но существуют и эндогенные клеточные миРНК. Малые интерферирующие РНК также действуют через РНК-интерференцию по сходным с микро-РНК механизмам.

Сравнение с ДНК

Между ДНК и РНК есть три основных отличия:

1
.
ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.

2.
Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил — неметилированная форма тимина.

3.
ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, намного короче и преимущественно одноцепочечные. Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образуют нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептид-трансферазный центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК.

Особенности функций:

1. Процессинг

Многие РНК принимают участие в модификации других РНК. Интроны вырезают из про-мРНК сплайсосомы, которые, кроме белков, содержат несколько малых ядерных РНК (мяРНК). Кроме того, интроны могут катализировать собственное вырезание. Синтезированная в результате транскрипции РНК также может быть химически модифицирована. У эукариот химические модификации нуклеотидов РНК, например, их метилирование, выполняется малыми ядерными РНК (мяРНК, 60-300 нуклеотидов). Этот тип РНК локализуется в ядрышке и тельцах Кахаля. После ассоциации мяРНК с ферментами, мяРНК связывается с РНК-мишенью путем образования пар между основаниями двух молекул, а ферменты модифицируют нуклеотиды РНК-мишени. Рибосомальные и транспортные РНК содержат много подобных модификаций, конкретное положение которых часто сохраняется в процессе эволюции. Также могут быть модифицированы мяРНК и сами мяРНК.

2. Трансляция

ТРНК присоединяют определенные аминокислоты в цитоплазме и направляется к месту синтеза белка на иРНК где связывается с кодоном и отдает аминокислоту которая используется для синтеза белка.

3. Информационная функция

У некоторых вирусов РНК выполняет те функции которые ДНК выполняет у эукариот. Также информационную функцию выполняет иРНК которая переносит информацию о белках и является местом его синтеза.

4. Регуляция генов

Некоторые типы РНК участвуют в регуляции генов увеличивая или уменьшая его активность. Это так называемые миРНК (малые интерферирующие РНК) и микро-РНК.

5. Каталитическая
функция

Есть так называемые ферменты которые относятся к РНК они называются рибозимы. Эти ферменты выполняют различные функции и имеют своеобразное строение