Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Всю первую половину ХХ века ученые считали, что наследственная информация о развитии всех признаков и свойств организма заключена в белках. Однако эксперименты, проведенные на микроорганизмах позволили установить, что генетическая информация сосредоточена в нуклеиновых кислотах.
1.1 Доказательства роли ДНК в наследственности
Рис. 1. Схема экспериментов Ф. Гриффитса на мышах по трансформации у пневмококков, Streptococcus pneumonia.
Большую роль в выяснении молекулярных основ наследственности сыграли эксперименты Ф. Гриффитса, который в 1928 г. обнаружил явление трансформации. Ученый вводил мышам вирулентный капсульный (S) и невирулентный бескапсульный (R) штаммы пневмококков, Streptococcus pneumonia. При введении мышам вирулентного штамма S они заболевали пневмонией и погибали, а при введении невирулентного R – оставались живыми (рис. 1а,б). Мыши также не погибали, если им вводили вирулентный штамм S, но убитый нагреванием (рис. 1в). В решающем эксперименте Гриффитс ввел смесь невирулентного штамма R со штаммом убитого нагреванием вирулентного S и получил неожиданный результат – мыши заболели пневмонией и погибли. Из погибших животных были выделены бактерии, которые обладали вирулентностью и были способны образовать капсулу (рис. 1г). Следовательно, живые бактерии невирулентного бескапсульного штамма R трансформировались – приобрели свойства убитых болезнетворных капсульных бактерий S. Однако химическая природа «трансформирующего фактора», обеспечивающего наследуемое превращение бактерии одного типа в другой в результате экспериментов Гриффитса, осталась неустановленной.
В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти получили убедительные доказательства того, что трансформирующим фактором является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Препараты ДНК, взятые из болезнетворного штамма S, ученые разделили на порции, каждую из которых обрабатывали ферментами дезоксирибонуклеазой, рибонуклеазой или протеазой, которые разрушают соответственно ДНК, РНК и белки. После обработки каждая порция использовалась для трансформации штаммов R в штаммы S. Оказалось, что только обработка дезоксирибонуклеазой (ДНК-азой) полностью прекращала трансформирующую активность ДНК.
Рис. 2. Схема эксперимента Херши и Чейз, демонстрирующего, что генетическим материалом фага является ДНК.
Еще одним серьезным доказательством генетической роли ДНК были эксперименты А. Херши и М. Чейз, проведенные в 1952 г.с бактериофагом Т2 – вирусом бактерий, состоящим лишь из белкового чехла и упакованной в него молекулы ДНК. Белок фага Т2 пометили радиоактивной серой (35S), которая включается только в белок, а ДНК фага радиоактивным фосфором (32Р), который включается только в ДНК. После заражения бактерий мечеными фагами было установлено, что в клетку бактерии проникает только молекула ДНК, а белковая оболочка фага остается снаружи (рис. 2). Тем не менее в клетках зараженных бактерий образовалось множество зрелых частиц бактериофага Т2. Это однозначно говорило о том, что наследственная информация о всех признаках и свойствах фага заключена в ДНК.
Эксперименты Эвери с соавторами, а также Херши и Чейз позволили сделать заключение, что именно молекула ДНК, по крайней мере у бактерий и фагов является носителем наследственной информации. В последующем было установлено, что у некоторых прокариот наследственная информация зашифрована в молекулах РНК.
1.2 Состав и строение нуклеиновых кислот.
В 1869 г. – Ф. Мишер из ядер лейкоцитов человека, а затем из спермы лосося выделил вещество, которое он назвал «нуклеином». В конце ХIX века было установлено, что кислый компонент «нуклеина» является нуклеиновой кислотой, которая содержит азотистые основания (пурины и пиримидины), углевод и фосфорную кислоту.
Рис. 3. Нуклеотид аденин состоящий из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания аденина
К 30-м годам ХX века П. Левен с сотрудниками установил, что азотистое основание, углевод и фосфорная кислота соединены в блоки – нуклеотиды (рис. 3), расположенные вдоль линейной молекулы нуклеиновой кислоты. Нуклеотидов оказалось четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Поскольку углеводный компонент оказался дезоксирибозой, кислота получила название дезоксирибонуклеиновой – ДНК. Вместе с ядерной была выделена цитоплазматическая нуклеиновая кислота, которая в качестве углевода содержала рибозу и поэтому получила название рибонуклеиновой – РНК.
В 40-50 гг. ХХ века Э. Чаргафф разработал точные методы определения количества азотистых оснований и установил, что в ДНК сумма пуринов равна сумме пиримидинов (А+Г=Т+Ц,) и количество аденина равно количеству тимина (А=Т), а гуанина – цитозину (Г=Ц).
На основе рентгеноструктурного анализа М. Уилкинс и Р. Франклин в 1953 г. получили данные, указывающие на то, что ДНК имеет двухцепочечную структуру в форме спирали.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик основываясь на данных Чаргаффа и Франклин построили пространственную модель молекулы ДНК и истолковали ее роль как носителя генетической информации. Согласно их модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных комплементарных цепочек закрученных в двойную спираль (рис. 4).
Азотистые основания нуклеотидов обеих цепей ДНК заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. В соответствии с правилами Чаргаффа аденин одной цепи связан только с тимином другой цепи, а гуанин – только с цитозином. Пара аденин-тимин соединена двумя водородными связями, а пара гуанин-цитозин – тремя (рис. 5). Такой порядок соответствия азотистых оснований (А=Т и Г=Ц) называется компле-ментарностью, и, следовательно, цепи в ДНК комплементарны друг другу.
В каждой из цепей ДНК нуклеотиды последовательно соединены друг с другом с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза связывается с одной молекулой фосфорной кислоты через углерод в положении 3', а с другой – через углерод 5', образуя сахаро-фосфатный остов.
Следует отметить, что обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную направленность. Межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5'-3', а в другой 3'-5' (рис. 5).
С развитием физико-химических методов выделения ДНК из различных организмов модель, разработанная Уотсоном и Криком была подтверждена экспериментально. Однако предстояло установить, как ДНК копируется (реплицируется) и кодирует синтез белка.
Согласно предложенной в 1953 г Уотсоном и Криком схеме репликации спиралевидная двухцепочная ДНК сначала расплетается, и цепи расходятся (рис. 6). При этом к нуклеотидам каждой цепи присоединяются комплементарные нуклеотиды, которые с помощью ферментов ДНК-полимераз связываются в новые полинуклеотидные цепи. В результате из одной образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК (рис. 6). Таким образом, каждая реплицированная дочерняя молекула ДНК состоит из одной «старой» и одной «новой» цепей, вот почему такой способ репликации получил название - полуконсервативный. Два других теоретически возможных способа репликации – консервативный и дисперсный в отличии от полуконсервативного не получили экспери-ментального подтверждения.
Рис. 6 Полуконсервативная модель репликации ДНК, предложенная Уотсоном и Криком
В 1958 г М. Мезелсон и Ф. Сталь в блестящем эксперименте убеди-тельно доказали именно полукон-сервативный характер репликации ДНК предсказанный Уотсоном и Криком.
На первом этапе они выращива-ли клетки E. coli на питательной среде содержащей азот 15N – «тяже-лый» изотоп, который имеет на один нейтрон больше чем 14N. После культивирования на такой среде во все азотосодержащие молекулы E. coli, в том числе и ДНК включается тяжелый 15N. С помощью ультрацен-трифугирования в пробирках можно разделить ДНК содержащую 15N и 14N. Тяжелые молекулы 15N оседают ближе ко дну пробирки (рис. 7).
Бактерии выращен-ные с изотопом 15N
Два поколения бактерий пересаженных на среду с 14N
Фракции бактериальной ДНК в пробирках после центрифугирования
15N/14N
15N/14N
14N/14N
На втором этапе меченные тяжелым изотопом бактерии перено-сили на новую среду, содержащую обычный 14N. Следовательно вся вновь синтезированная ДНК E. coli содержала легкий изотоп 14N. Как видно из рис. 7 выделенная из E. coli после одного поколения культи-вирования ДНК в результате центрифугирования осаждалась в пробирке одной фракцией промежуточной плотности, так как одна цепь содержала «легкий» изотоп, а вторая – «тяжелый».
Рис. 7 Эксперименты Мезельсона-Сталя подтверждающие полуконсервативный характер репликации ДНК
После второго поколения культивирования плотность образца ДНК, взятой из E. coli разделилась на две фракции, с промежуточной (15N/14N) и легкой (14N/14N) плотностями (рис. 7). Эти результаты в точности соответствуют полуконсервативному механизму репликации ДНК.
Рис. 8. Репликационная вилка с указанием лидирующей и запаздывающей цепей вновь синтезированной ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что процесс полуконсер-вативной репликации молекул ДНК начинается в определенной точке инициации (ori). В хромосомах эукариот имеется по нескольку таких точек. Цепи ДНК в точке инициации репликации разъединяются (раскручиваются) под влиянием фермента геликазы (рис. 8). Возникает репликационная вилка с одноцепочечными участками ДНК, которые становятся матрицами для репликации (рис. 8). Эти участки связываются с белками SSBP (single-stranded binding proteins), которые не позволяют им вновь соединиться в двойную спираль. Возникающая суперскрученность и напряжение в нераскрученной части ДНК репликациооной вилки (рис. 8) снимает ферментный комплекс топоизомераза (ДНК-гираза у прокариот).
ДНК-полимераза, осуществляет процесс репликации в направлении 5'-3', она способна присоединять нуклеотиды только к 3'-ОН группе предыдущего нуклеотида и для синтеза новой цепи ей требуется затравка (праймер) со свободным 3'-концом. Поэтому сначала на ДНК-матрице с помощью праймазы (РНК-полимеразы) синтезируется короткий (~10 нуклеотидов) фрагмент РНК. Именно к такому РНК-праймеру ДНК-полимераза присоединяет дезоксинуклеотиды, синтезируя новую цепь (рис. 8). Затем РНК-праймер вырезается, замещаясь фрагментом ДНК.
Репликация начинается на материнской цепи, идущей от точки инициации в направлении 3'-5' и идет непрерывно в виде сплошной линии. Эта цепь называется лидирующей (рис. 8). Синтез на второй цепи идет в обратном направлении в виде отдельных коротких (200-2000 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, названных так по имени открывшего их ученого. Эта цепь получила название запаздывающей. После завершения синтеза РНК праймеры в составе фрагментов Оказаки заменяются на ДНК и все фрагменты соединяются при помощи фермента лигазы в общую полинуклеотидную цепочку. В результате репликации образуются две идентичные молекулы ДНК, которые в хромосомах эукариот становятся двумя хроматидами.
При рассмотрении вопроса о том как генетическая информация заложенная в ДНК реализуется в процессе синтеза белка Уотсон и Крик теоретически предсказали существование и-РНК (посредника).
РНК отличается от ДНК тем, что у нее углеводом является рибоза вместо дезоксирибозы. Кроме того, вместо нуклеотида тимина у нее урацил (рис. 9). И наконец, в отличие от ДНК она имеет в основном одноцепочечное строение.
Рис. 9. Нуклеотид урацил состоящий из рибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания урацил
В 1962 г. Э. Волкин и Л. Астрохан обнаружили, что при синтезе белка в клетках E. coli, зараженных фагом Т2 резко усиливается синтез короткоживущих молекул РНК, которые были комплементарны одной из цепей фага Т2, но не ДНК E. coli. Позднее в многочисленных экспериментах было показано, что наследственная информация, записанная в ДНК (гене), точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность короткоживущих и-РНК, которые определяют синтез конкретных белков у всех организмов.
Транскрипция осуществляется с помощью фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы и всегда идет в направлении 5'-3'. Матрицей для синтеза и-РНК служит только одна цепь ДНК - 3'-5', которая (как ни странно) называется некодирующей.. Комплементарная ей цепь 5'-3', последовательность нуклеотидов в которой совпадает с последовательностью и-РНК называется кодирующей. Синтез и-РНК начинается с участка инициации транскрипции, называемого промотором. Промотор расположен перед геном и включает 40-80 нуклеотидов. В нем имеются важный участок «ТАТА-бокс» (рис. 10,а). При помощи белковой σ-субъединицы РНК-полимераза соединяется с промотором и разъединяет комплементарные цепи ДНК в области ТАТА последовательности (рис. 10,б). Затем этот фермент двигается вдоль гена и по
Рис. 10. Схематическое изображение этапов транскрипции
мере разъединения цепей ДНК на одной (3'-5'), ведет синтез и-РНК, согласно принципу комплементарности присоединяя аденин к тимину, урацил к аденину, цитозин к гуанину и гуанин к цитозину (рис. 10,в). Те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула и-РНК постепенно отделяется от ДНК. Конец синтеза и-РНК определяется участком остановки транскрипции – терминатором (рис. 10,г). Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, регулирующими активность РНК-полимеразы.
У эукариот в структурной части гена имеются отрезки ДНК, не содержащие информации, которые были названы интронами. Участки ДНК, несущие информацию, называются экзонами (рис. 11).
В ходе считывания информации с определенного участка ДНК (гена) сначала образуется первичный транскрипт всей последовательности (про-мРНК), а затем происходит процесс сплайсинга (сшивания), который заключается в том, что интроны из РНК как бы «выпетливаются» и удаляются, а информативные участки – экзоны соединяются при помощи фермента сплайсазы в одну непрерывную последовательность и-РНК. Перед выходом из ядра к начальной (5') части и-РНК присоединяется метилированный гуанин, называемый «КЭП» (колпачек), а к 3'-концу и-РНК присоединяется примерно 200 остатков аденина, образуя поли-А хвост (рис. 11). В таком виде зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через ядерную мембрану в ци-
Рис. 11. Упрощенная схема β-глобинового гена человека и матричной мРНК после процесса транскрипции и сплайсинга. Этот ген состоит из более чем 2 тыс. н.п. Однако из них только около 450 н.п. несут информацию об аминокислотной последовательности β-глобина. Кроме трех кодирующих участков (экзонов), ген включает два некодирующих (интроны 1 и 2). Образующийся первичный транскрипт РНК состоит из ~1600 н.п. Во время сплайсинга РНК интроны, удаляются и оба конца РНК модифицируются.
топлазму, где соединяется с рибосомой. Считают, что у эукариот «КЭП» и поли-А хвост защищают и-РНК от разрушения в ходе ее продвижения к рибосомам в цитоплазме. Предполагается также, что «КЭП» играет определенную роль в связывании и-РНК с малой субчастицей рибосомы.
.
Идея о том, что гены контролируют структуру белков, впервые была высказана в 1902 г. А. Гэрродом, изучавшим алкаптонурию – врожденное наследственное заболевание, при котором организм не расщепляет гомогентизиновую кислоту, что приводит к серьезным нарушениям метаболизма.
В 1941 г. Г. Бидл и Э. Татум на основе генетических экспериментов на грибке Neurospora crassa показали, что одна мутация приводит к потере метаболической активности только одного фермента (белка) и установили закономерность: один ген – один белок.
После открытия Уотсона и Крика необходимо было понять, как последовательность из 4-х азотистых оснований в ДНК, из которых состоит ген определяет (кодирует) последовательность из 20 амино-кислот в белке. Можно было предположить, что генетический код не может состоять из одного или двух нуклеотидов, так как их только четыре и сочетаний из двух нуклеотидов (42) может быть только 16, а аминокислот 20. Мысль о том, что генетический код должен быть триплетным впервые в 1954 г высказал физик Г. Гамов. В этом случае (43) получается 64 триплетных сочетания, и их вполне достаточно для кодирования всех аминокислот. Триплет – три рядом стоящих нуклеотида, кодирующих одну аминокислоту получил название кодона.
Начало экспериментальному анализу по расшифровке генетического кода положили в 1961 г. М. Ниренберг и Дж. Матеи. Они создали простейшую искусственную иРНК, содержащую только урацил, Затем вводили полиУ РНК в бесклеточную среду из кишечной палочки E. coli. В результате был получен полипептид, состоящий только из фенилаланина. Таким образом, кодон для фенилаланина был расшифрован как УУУ.
Затем в течение нескольких лет в лабораториях М. Ниренберга и С. Очоа был определен состав большинства кодонов. Однако требовалось установить последовательность нуклеотидов в кодонах. Г. Корана с сотр. разработал метод химического синтеза фрагментов ДНК с заданной последовательностью нуклеотидов, что позволяло получить иРНК также с известной последовательностью и использовать ее в бесклеточной системе белкового синтеза. Второй метод предложили М. Ниренберг и П. Ледер. Так как одного триплета иРНК достаточно для связывания с рибосомой и тРНК, ученые использовали триплеты с известной последовательностью нуклеотидов для того, чтобы определить, какую аминокислоту доставит тРНК.
Уже к 1966 г. на основе методов, разработанных Кораной, Ниренбергом и Ледером, были определены все триплеты, кодирующие ту или иную аминокислоту и следовательно генетический код был полностью расшифрован. Структура генетического кода по иРНК представлена ниже в виде таблицы 1. Оказалось, что 61 триплет кодирует аминокислоты, а 3 триплета УАА, УГА и УАГ являются «стоп кодонами» и соответственно останавливают процесс трансляции (табл. 1). Таким образом, усилиями ученых в течение нескольких лет удалось полностью выяснить природу связи между структурой гена и соответствующего белка.
В результате проведенных исследований были установлены все основные свойства генетического кода: триплетность - каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами; неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов; колинеарность - порядок расположения кодонов в иРНК совпадает с порядком расположения аминокислот в синтезирующейся полипептидной цепи; вырожденность - 18 из 20 аминокислот (кроме метионина и триптофана), кодируются более чем
Таблица 1. Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам
|
Основания кодонов |
|||||
|
первое |
второе |
третье |
|||
|
У |
Ц |
А |
Г |
||
|
У |
У Ц А Г |
Фен Сер Тир Цис |
Фен Сер Тир Цис |
Лей Сер – – |
Лей Сер – Три |
|
Ц |
У Ц А Г |
Лей Про Гис Арг |
Лей Про Гис Арг |
Лей Про Глн Арг |
Лей Про Глн Арг |
|
А |
У Ц А Г |
Иле Тре Асн Сер |
Иле Тре Асн Сер |
Иле Тре Лиз Арг |
Мет Тре Лиз Арг |
|
Г |
У Ц А Г |
Вал Ала Асп Гли |
Вал Ала Асп Гли |
Вал Ала Глу Гли |
Вал Ала Глу Гли |
Обозначения аминокислот: Ала - аланин, Арг - аргинин, Асп - аспарагиновая кислота, Асн - аспарагин, Вал - валин, Гис - гистидин, Гли - глицин, Глн - глутамин, Глу - глутаминовая кислота, Иле - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, Про - пролин, Сер - серин, Тир - тирозин. Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис -цистеин.
6
одним триплетом; универсальность - код одинаков практически для всех живых организмов.
Интересно отметить, что в митохондриях четыре кодона имеют другую кодировку: кодон УГА определяет триптофан, АУА - метионин, а кодоны АГА и АГГ стали терминирующими. Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал и не сразу стал таким как сейчас.
Трансляция наряду с репликацией и транскрипцией является еще одним важнейшим этапом реализации генетической информации в клетке. В самом общем виде трансляция – это процесс биосинтеза белка по матрице иРНК, который протекает на рибосомах. В этом процессе кроме информационной РНК принимают активное участие еще два типа РНК – транспортные и рибосомные.
Транспортные РНК. Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Транспортные РНК, которых насчитывается более 60-ти, состоят из 75-90 нуклеотидов и имеют структуру в виде клеверного листа (рис. 12). Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. На одном конце тРНК находится акцепторный триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. На другом конце (в антикодонной петле) каждой тРНК находится антикодон – специфический триплет, с помощью которого тРНК «узнает» соответствующий комплементарный кодон в иРНК, и тем самым определяет место, куда должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка. Боковые петли тРНК, по-видимому, используются для связывания с рибосомой и со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой.
Рис. 12. тРНК с антикодоном ЦГУ, доставляющая к месту синтеза белка аминокислоту аланин
Рибосомные РНК. Размер рибосомных рРНК составляет 120–3100 нуклеотидов. Они служат каркасом рибосом и способствуют первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в ходе биосинтеза белка.
Рибосомы являются клеточными органеллами, на которых протекает процесс биосинтеза белка. Их число в клетке прокариот составляет примерно ≈ 104, а у эукариот ≈ 105. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы. Рибосомы состоят из двух субъединиц разного размера и формы. Размер эукариотической рибосомы составляет 80S (S – ед. Сведберга, характеризующая скорость седиментации при центрифуги-ровании). Большая субъединица величиной 60S состоит из рРНК трех типов - 28S, 5S и 5,8S и 50 белков, а малая величиной 40S - из 18S рРНК и 33 белков. У прокариот рибосома имеет величину 70S и состоит из большой (50S) субъединицы, в состав которой входит 23S и 5S рРНК, а также 34 белка и малой (30S), состоящей из 16S рРНК и 21 белка.
Рис. 13. Схематическое изображение принципа трансляции
Как уже отмечалось, трансляция заключается в том, что последовательность расположения кодонов в иРНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка (рис.13). Процесс трансляции включает два этапа: активирование аминокислот и присоединение их к «своим» тРНК и непосредственно синтез белковой молекулы.
Рис. 14. Присоединение аминокислоты фенилаланина к терминальному аденозину соответсвующей тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы (этап 1) и соединение антикодона ААА аминоацил-тРНКPhe .с соответсвующим кодоном УУУ мРНК (этап 2).
Активирование свободных аминокислот и присоединение их к тРНК осуществляется при помощи специализированных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз. В молекуле каждой аминоацил-тРНК-син-тетазы имеется по крайней мере три центра связывания: для аминокислоты, тРНК и АТФ. Сначала осуществляется связь аминоацилтРНК-синтетазы с определенной аминокислотой, а затем активированная с помощью АТФ аминокислота присоединяется к аденину акцепторного триплета ЦЦА тРНК (рис. 14). В результате образуется аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Аминоацил-тРНК взаимодействует с одним из белковых факторов, который в комплексе с ГТФ необходим для транспорта и связывания аа-тРНК с рибосомой.
Процесс синтеза белка на рибосомах подразделяется на три стадии: инициация, элонгация и терминация (рис. 15).
Инициация. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается с присоединения малой субъединицы рибосомы к соответствующему центру связывания на иРНК (рис. 15, А). Сигналом инициации трансляции служит кодон для метионина АУГ, который расположен в начале иРНК. К кодону АУГ своим антикодоном УАЦ присоединяется аа-тРНК с метионином (у бактерий с формилметионином). Затем к этому комплексу, присоединяется большая субъединица рибосомы. В результате образуется полная рибосома (80S), включающая молекулу иРНК и инициаторную аа-тРНК с метионином, которая располагается в пептидильном центре большой субъедницы (рис. 15, А).
Элонгация. В свободный аминоацильный центр рибосомы со второй аминокислотой поступает следующая аа-тРНК, которая своим антикодоном соединяется со строго с комплементарным кодоном иРНК (рис. 15, Б). В этот момент при помощи фермента пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) своей карбоксильной группой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH2) вновь пришедшей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (–СО–NH–). В результате тРНК, принесшая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК присоединен уже дипептид. Дипептидил-тРНК благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Освободившаяся тРНК и связанный с ней кодон иРНК АУГ выходят из рибосомы. (рис. 15, Б). Следующая аа-тРНК приносит новую аминокислоту в освободившийся
Рис. 15. Схематическое изображение основных этапов трансляции на рибосомах (А - инициация, Б - элонгация, В - терминация).
аминоациль-ный центр в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома снова продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется (рис. 15, Б).
Терминация. Как только в аминоацильный центр рибосомы поступит один из терминирующий кодонов иРНК (УАА, УАГ или УГА), к нему присоединяется белковый фактор терминации и блокирует дальнейшую элонгацию цепи (рис. 15, В). После этого синтезированная полипептидная цепь отделяется от тРНК, рибосомные субъединицы диссоциируют и освобождают тРНК и иРНК, которые могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи (рис. 15, В).
На одной молекуле иРНК работает не одна рибосома, а многие (до 100). На каждой из рибосом строится полипептидная цепь. У бактерий транскрипция и трансляция связаны между собой и трансляция начинается до завершения синтеза иРНК на ДНК. Образующиеся при синтезе полипептидные цепи претерпевают ряд посттрансляционных преобразований и только после этого начинают выполнять в организме свои специфические функции.
Таким образом, белки – это конечные продукты экспрессии генов. Основной класс белков – это ферменты (энзимы), которые служат биологическими катализаторами, обеспечивающими высокую скорость и точность всех биохимических реакций в организме. Ферменты осуществляют как синтез (анаболизм), так и расщепление (катаболизм) всех органических молекул в клетке, включая углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Белки выполняют также огромное количество других функций. Так структурные функции осуществляют – коллаген (хрящи, сухожилия), кератин (перья, волосы, когти, рога); транспортные – гемоглобин (перенос О2 и СО2), альбумин (жирные кислоты), глобулины (гормоны металлы); сократительные – актин, миозин (работа мышц), тубулин (веретено деления, реснички); гормональные – инсулин (регулирует содержание глюкозы).
Белки – это полимеры мономерами, которых являются аминокислоты. В состав природных белков входит только 20 аминокислот (табл. 2). Аминогруппа одной аминокислоты способна взаимодействовать с карбоксильной группой другой аминокислоты с образованием пептидной связи (–СО–NH–) и выделением молекулы воды. При этом образуется дипептид:
Примечание: А – нейтральные аминокислоты; Б - полярные аминокислоты; В – положительно- и отрицательнозаряженные аминокислоты.
А
Б
В
Таблица 2. Аминокислоты, входящие в состав белков
Если таким образом соединяется несколько аминокислот (более 10), то образуется – полипептид. Полипептиды в молекулы, которых входит более 50 аминокислотных остатков называются белками.
Белковые молекулы имеют четыре уровня (структуры) пространственной организации. Первичная структура молекулы белка представляет собой цепочку из аминокислот соединенных пептидными связями (рис. 16,а). Это наиболее важная структура, поскольку она определяет форму и свойства белка. Каждый белок организма имеет уникальную первичную структуру. Вторичная структура белковой молекулы возникает в результате образования водородных связей между атомом водорода NH-группы и СО-группы разных аминокислотных остатков полипептидной цепи (рис. 16,б). Полипептид при этом
Рис. 16. Четыре уровня организации белков
закручивается в спираль. Такая структура характерна для кератина, коллагена, инсулина, миозина, фибриногена и др. Третичная структура создается S–S связями (дисульфидным мостиками), а также гидрофобно-гидрофильными взаимодействиями разных частей молекулы полипептида (рис. 16,в). Третичной структурой определяется специфичность белковых молекул, их биологическая активность. Некоторые белки имеют четвертичную структуру. В этом случае несколько полипептидных цепей с третичной структурой за счет межмолекулярных взаимодействий объединяются в единый комплекс. Ярким примером белка с четвертичной структурой является гемоглобин, состоящий из четырех полипептидных субъединиц и небелковой части – гемма (рис. 16,г).