Примеры кодирования аминокислот кодонами ДНК

Аминокислота	Кодон ДНК
Цистеин Лизин Лейцин Валин Пролин	А–Ц–А Т–Т–Т А–А–Ц Ц–А–А Г–Г–Г

36. Транскрипцией называется синтез матричной РНК на основе матричной ДНК согласно принципу комплементарности. Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК располагается комплементарный ему нуклеотид матричной РНК (Г_ДНК соответствует Ц_РНК, Ц_ДНК ® Г_РНК, А_ДНК ® У_РНК, Т_ДНК ® А_РНК). Например, последовательности Т–А–Ц–А–Г в ДНК соответствует последовательность А–У–Г–У–Ц в РНК. В результате образуется цепочка РНК, представляющая собой по составу и последовательности нуклеотидов точную копию одной из цепей ДНК, рис. 5.12.

Для транскрипции необходим особый фермент – РНК-полимераза. Одна молекула ДНК содержит множество генов, поэтому РНК-полимераза должна начинать синтез м-РНК со строго определённого места ДНК, иначе в синтезируемой структуре будет записана информация о чужом или несуществующем белке. Транскрипция происходит на участках ДНК, называемых транскриптонами. В начале и в конце транскриптона расположены специфические последовательности нуклеотидов – промотор и терминатор. РНК-полимераза взаимодействует с промотором и начинает синтез цепочки м-РНК с нужного места. Синтез прекращается, когда РНК-полимераза доходит до терминатора – последовательности нуклеотидов, указывающих на окончание процесса. Наличие множества транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов. У животных, растений и других эукариот в состав транскриптона входит, как правило, один ген. Транскриптоны бактерий обычно называются оперонами; многие из них содержат несколько генов, обычно функционально связанных.

Оперон представляет собой генетическую единицу механизма регуляции синтеза белков. Набор молекул ДНК одинаков во всех клетках одного организма, но в них осуществляется синтез не всех белков, а лишь некоторых, необходимых данной клетке в данный момент времени. Приведём механизм регуляции на примере одноклеточных организмов – прокариот. В начале оперона расположен участок для присоединения фермента РНК-полимеразы – именно он называется промотором. Далее следует участок ДНК, называемый оператором, непосредственно примыкающий к последующему блоку структурных генов, рис. 5.13. Оператор не является геном, поскольку он не несёт в себе информации о структуре какого-либо белка или ДНК. Оператор представляет собой область ДНК, способную специфически связывать белок-репрессор, в результате чего целая серия структурных генов может быть временно выключена – инактивирована. Иначе говоря, оператор может быть заблокирован белком-репрессором, тогда РНК-полимераза не начинает синтез м-РНК.

С одного оперона может «считываться» одна молекула м-РНК, и тогда функции разделения этой РНК на участки, соответствующие отдельным структурным генам оперона, выполняются в ходе синтеза белка.

Синтез РНК разделяют на четыре основные стадии:

– связывание РНК-полимеразы с промотором;

– начало синтеза цепи РНК (инициация);

– рост цепи РНК (элонгация);

– завершение синтеза РНК (терминация).

37. Молекулы матричной РНК направляются к месту сборки белков, т. е. к рибосомам. Туда же из цитоплазмы идет поток аминокислот – материала для синтеза белков. Этот поток осуществляют транспортные РНК, имеющие сложную, частью двуспиральную, макромолекулярную структуру. Их молекулы состоят всего из 70–100 нуклеотидных звеньев и имеют форму листка клевера, рис. 5.14. Они содержат участки, присоединяющиеся к рибосоме, триплет нуклеотидов (антикодон), присоединяющийся к кодону м-РНК, и концевой участок, присоединяющий аминокислоту, соответствующую этому триплету согласно генетическому коду, табл. 5.3. Для каждой аминокислоты имеются свои специфические т-РНК (обычно более одной).

Таблица 5.3

Генетический код

	У	Ц	А	Г
У	Фенилаланин Фенилаланин Лейцин Лейцин	Серин Серин Серин Серин	Тирозин Тирозин – –	Цистеин Цистеин – Триптофан	У Ц А Г
Ц	Лейцин Лейцин Лейцин Лейцин	Пролин Пролин Пролин Пролин	Гистидин Гистидин Глутаминовая к-та Глутаминовая к-та	Аргинин Аргинин Аргинин Аргинин	У Ц А Г
А	Изолейцин Изолейцин Изолейцин Метионин	Треонин Треонин Треонин Треонин	Аспарагин Аспарагин Лизин Лизин	Серин Серин Аргинин Аргинин	У Ц А Г
Г	Валин Валин Валин Валин	Аланин Аланин Аланин Аланин	Аспарагиновая к-та Аспарагиновая к-та Глутамин Глутамин	Глицин Глицин Глицин Глицин	У Ц А Г

38. В таблице 5.3 обозначения кодонов образуются буквами нуклеотидов из первого столбца, верхней строки и последнего столбца. На их пересечении в таблице указана кодируемая ими аминокислота. Например, кодонам УЦУ, УЦА, УЦЦ соответствует серин. Прочерки в таблице означают, что три кодона УАА, УАГ и УГА не кодируют какие-либо аминокислоты.

39. Классификация кодонов. Поскольку существует 4 различных нуклеотида, то общее число кодонов равняется 64, из которых 61 кодируют определенные аминокислоты, а 3 оставшихся кодона (УГА, УАГ и УАА) сигнализируют об остановке трансляции полипептидной цепи и называются стоп-кодонами. Кроме того, кодон УАГ в м-РНК носит название амбер-кодон, УАГ называется опалом, а УАА — охрой. Под стартовым кодоном подразумевают триплеты ЦУГ, УУГ и триплет АУГ в м-РНК, кодирующий метионин, с которого начинается образование полипептидной цепи в процессе трансляции. Для прокариотов стартовыми кодонами так же являются ГУГ и АУУ. Так как в процессе биосинтеза белка в полипептидную цепь участвует всего 20 аминокислот, то различные кодоны могут кодировать одинаковые аминокислоты, такие кодоны принято называть изоакцепторными кодонами. Кроме того, в генетике принято выделять кодон, при котором не происходит включения аминокислоты в белок, его называют бессмысленным кодоном или нонсенс-кодоном. Такими кодонами являются стоп-кодоны.

Неканонические значения кодонов. По крайней мере, у 16 типов организмов генетический код отличается от канонического. Например, многие виды зеленых водорослей Acetabularia транслируют стандартные стоп-кодоны УАГ и УАА в аминокислоту глицин, а гриб Candida интерпретирует РНК-кодон ЦУГ не как лейцин, а как серин. А у митохондрий пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) четыре из шести кодонов, обычно транслирующихся в лейцин, кодируют треонин. Существование таких вариаций свидетельствует о возможной эволюции генетического кода.

Представители почти всех трех доменов живых организмов иногда прочитывают стандартный стоп-кодон УГА как 21-ю аминокислоту селеноцистеин, не относящуюся к 20 стандартным. Селеноцистеин образуется при химической модификации серина на стадии, когда последний еще не отсоединился от тРНК в составе рибосомы. Аналогично у представителей двух доменов (архебактерий и бактерий) стоп-кодон УАГ прочитывается как 22-я аминокислота пирролизин.

40. Для генетического кода характерны следующие свойства:

– триплетность (кодон содержит три нуклеотида);

– универсальность (используется для всех живых существ, возможны лишь небольшие видовые изменения, возникшие, вероятно, при эволюции и дифференцировке клеток);

– вырожденность (61 кодон кодирует только 20 аминокислот, поэтому почти каждой аминокислоте соответствует более чем один кодон, что имеет значение для повышения устойчивости генетической информации);

– однонаправленность (считываются в одном направлении от первого нуклеотида к последующим);

– однозначность, или, точнее специфичность (каждый кодон кодирует только одну аминокислоту);

– отсутствие знаков препинания между кодонами.

41. Информация о структуре белка, записанная в информационной РНК последовательностью нуклеотидов, переносится далее в виде последовательности аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. Такой процесс синтеза белка, программируемый генами, называется трансляцией. В более узком смысле слова трансляцией называется этап биосинтеза белков, при котором последовательность нуклеотидов и-РНК переносится далее в виде последовательности аминокислот синтезирующегося белка.

Трансляцию каждой молекулы м-РНК рибосомой разделяют на три последовательные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию (рис. 5.15), аналогично синтезу РНК в процессе транскрипции. Перед инициацией рибосома должна диссоциировать на составляющие ее субъединицы или субчастицы – малую и большую. Инициация начинается с того, что малая рибосомная субчастица присоединяет к себе большую на матричной РНК, что отмечено на рис. 5.15 цифрой 1. Трансляция начинается со строго фиксированной точки в цепи м-РНК. Полная рибосома взаимодействует с надлежащим участком м-РНК, при этом начало будущего белка обозначается кодоном АУГ (на рис. 5.15 он обозначен латинскими буквами), который является знаком начала трансляции. Этот кодон соответствует аминокислоте метионину, поэтому почти все белки начинаются с метионина.

Стадия элонгации начинается с поступления в рибосому т-РНК (цифра 2 на рис. 5.15). После связывания с м-РНК рибосома начинает двигаться вдоль неё, задерживаясь на каждом участке, включающем два кодона (или 6 нуклеотидов). Время задержки составляет 0,2 с, за это время молекула т-РНК, антикодон которой комплементарен находящемуся в рибосоме кодону, успевает его распознать. От т-РНК отделяется аминокислотный остаток и присоединяется к растущей цепочке белка с образованием пептидной связи (3). Освободившаяся от остатка т-РНК возвращается в цитоплазму, где находит следующую молекулу аминокислоты (5). После завершения синтеза на данном участке рибосома сдвигается на следующий участок (4),на стадии элонгации продолжается поставка требуемых аминокислотных остатков с помощью соответствующих им т-РНК. Для этого к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету м-РНК (6). Точно также от неё отделяется очередная аминокислота и включается в растущую цепочку белка. После этого рибосома сдвигается по м-РНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.

Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдёт до терминаторного кодона или стоп кодона. Ими бывают триплеты УАА, УГА или, указанный на рис. 5.15 латинскими буквами, УАГ (7). Здесь включается механизм терминации: терминаторный триплет узнаётся специальным белком (фактором терминации RF), что приводит к отделению готового полипептида от рибосомы (8). Синтез белка завершается, белковая цепочка отделяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры. Рибосома диссициирует на субчастицы и покидает м-РНК (9). Свободные рибосомные субчастицы опять готовы инициировать трансляцию новой цепи м-РНК. В целом на синтез крупной молекулы белка уходит около двух минут.

Клетке необходима не одна, а много молекул белка. Как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле м-РНК, продвигается вперёд, на эту же м-РНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок. На эту же матричную РНК может быть нанизана и третья, и четвёртая рибосома и т. д. Совокупность рибосом, синтезирующих белок на одной молекуле м-РНК, называется полирибосомой. После окончания синтеза белка всякая рибосома может связаться с другой молекулой м-РНК и приступить к синтезу другого белка. По этой причине последовательность аминокислот в белках не зависит от рибосом, а определяется лишь последовательностью нуклеотидов в матричной РНК.

42. Регуляция синтеза того или иного белка может иллюстрироваться следующим примером. В бактериальную клетку проникло пищевое вещество Х, которое должно быть разрушено на мелкие части некоторым ферментом Ф, закодированным в структурном гене оперона. Просто так этот фермент не синтезируется, ибо его оператор заблокирован репрессором. Но при наличии пищевого вещества Х одни из его молекул связывается с молекулой репрессора и отделяет его от оператора. После этого РНК-полимераза тут же начинает синтез соответствующей м-РНК, на которой рибосомы синтезируют необходимый белок – фермент Ф. Молекулы этого фермента постепенно разрушают молекулы вещества Х, в том числе и те, которые вошли в состав комплекса Х-репрессор. Когда все молекулы Х будут разрушены, репрессор опять связывается с оператором и прекращает синтез м-РНК. Время жизни этой матричной РНК ограничено, со временем она будет разрушена специальными фермантами, что прекратит и синтез ферментов Ф.

Регуляция работы генов у эукариот гораздо сложнее. У них белки, необходимые для обеспечения какой-либо функции, могут быть закодированы в генах различных хромосом. Отметим, что у прокариот ДНК в клетке представлена одной-единственной молекулой. Кроме того, сами гены эукариот устроены сложнее: там имеются участки, с которых не считывается м-РНК, но они способны регулировать работу соседних участков ДНК. Наконец, в многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей. Эта координация осуществляется на уровне целого организма, главным образом, при помощи гормонов. Именно гормоны, связываясь с рецепторами, активируют или репрессируют те или иные гены.

43. Хиральностью называется асимметричность молекул живого организма, точнее – дисимметричность. В общем, это свойство объекта быть несовместимым со своим изображением в зеркале. Хиральность веществ биологического происхождения обнаружил ещё Л. Пастер, установивший, что эти вещества поворачивают плоскость поляризации света всегда в одну и ту же сторону. Такое свойство называется оптической активностью.

В живой природе все белки построены из левых оптических изомеров аминокислот. Существуют аминокислоты правого вращения, но они не участвуют в построении живых систем. Наоборот, сахара могут быть только правыми, благодаря чему они и способны вступать в реакцию, то есть усваиваться живыми организмами. Причиной этого являются направления, в которых закручиваются спиральные молекулы. Гипотетический организм, сконструированный из биополимеров обратной ориентации, не смог бы питаться и усваивать обычную земную пищу.

44. Органические вещества, способные убивать микробы, называются антибиотиками.

Дата добавления: 2015-06-27