Биополимеры - это синтезируемые живыми существами (биологические) полимеры . ДНК, РНК и белки относятся к линейным полимерам, то есть каждый входящий в их состав мономер соединяется с минимум двумя другими мономерами. Последовательность мономеров кодирует информацию, правила передачи которой описываются центральной догмой. Информация передаётся с высокой точностью, детерминистически и один биополимер используется как шаблон для сборки другого полимера с последовательностью, которая полностью определяется последовательностью первого полимера.
В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера - ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться 3 × 3 = 9 способами. Центральная догма разделяет эти 9 типов передачи информации на три группы:
ДНК - основной способ передачи информации между поколениями живых организмов, поэтому точное удвоение (репликация) ДНК очень важна. Репликация осуществляется комплексом белков, которые расплетают хроматин , затем двойную спираль. После этого ДНК полимераза и ассоциированные с ней белки, строят на каждой из двух цепочек идентичную копию.
Транскрипция - биологический процесс, в результате которого информация, содержащаяся в участке ДНК, копируется на синтезируемую молекулу мРНК . Транскрипцию осуществляют факторы транскрипции и РНК-полимераза . В эукариотической клетке первичный транскрипт (пре-иРНК) часто редактируется. Этот процесс называется сплайсингом .
Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.Репликация РНК - копирование цепи РНК на комплемлементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК реплицируются подобным способом.
Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки , которые содержали рибосомы , но не иРНК . Такие экстракты синтезировали белки с введённых в систему ДНК, и антибиотик неомицин усиливал этот эффект.
Эпигенетические изменения - это изменения в проявлении генов, не обусловленные изменением генетической информации (мутациями). Эпигенетические изменения происходят в результате модификации уровня экспрессии генов, то есть их транскрипции и/или трансляции. Наиболее изученным видом эпигенетической регуляции является метилирование ДНК с помощью белков ДНК-метилтрансфераз , что приводит к временной, зависящей от условий жизни организма инактивации метилированного гена . Однако поскольку первичная структура молекулы ДНК при этом не изменяется, это исключение нельзя считать истинным примером передачи информации от белка к ДНК.
Прионы - белки, которые существуют в двух формах. Одна из форм (конформаций) белка является функциональной, обычно растворимой в воде. Вторая форма образует нерастворимые в воде агрегаты, часто в виде молекулярных трубочек-полимеров. Мономер - молекула белка - в этой конформации способен просоединяться к другим сходным молекулам белка, переводя их во вторую, прионоподобную, конформацию. У грибов такие молекулы могут передаваться по наследству. Но, как и в случае метилирования ДНК, первичная структура белка в данном случае остаётся прежней, и переноса информации на нуклеиновые кислоты не происходит.
Оригинальный текст (англ.)
My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?!" And Crick gave a roar of delight. "I just didn"t know what dogma meant. And I could just as well have called it the "Central Hypothesis," or - you know. Which is what I meant to say. Dogma was just a catch phrase
Кроме того, в автобиографической книге «Что за сумасшедший поиск» («What mad pursuit») Крик писал о выборе слова «догма» и о вызванных этим выбором проблемах:
«Я назвал эту идею центральной догмой, я подозреваю, по двум причинам. Я уже использовал слово гипотеза в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное… Как оказалось, использование термина догма вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило… Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом догма, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».
Оригинальный текст (англ.)
I called this idea the central dogma, for two reasons, I suspect. I had already used the obvious word hypothesis in the sequence hypothesis, and in addition I wanted to suggest that this new assumption was more central and more powerful. ... As it turned out, the use of the word dogma caused almost more trouble than it was worth.... Many years later Jacques Monod pointed out to me that I did not appear to understand the correct use of the word dogma, which is a belief that cannot be doubted. I did apprehend this in a vague sort of way but since I thought that all religious beliefs were without foundation, I used the word the way I myself thought about it, not as most of the world does, and simply applied it to a grand hypothesis that, however plausible, had little direct experimental support.
Основной постулат молекулярной биологии
Существуют три процесса молекулярной биологии
Приобретенная форма
Эта более частая форма оротатацидурии может наблюдаться:
· при дефекте каких-либо ферментов синтеза мочевины , кроме карбамоилфосфат-синтетазы. При этом карбамоилфосфат митохондрий (в норме используемый для образования мочевины) выходит из них и используется для избыточного синтеза оротовой кислоты. Заболевание обычно сопровождаетсягипераммониемией,
· при лечении подагры аллопуринолом, который может превращаться в оксипуринолмононуклеотид, являющийся ингибитором оротатдекарбоксилазы, что опять же ведет к накоплению оротата.
Основной фигурой матричных биосинтезов являются нуклеиновые кислоты РНК и ДНК. Они представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входят азотистые основания пяти типов, пентозы двух типов и остатки фосфорной кислоты. Азотистые основания в нуклеиновых кислотах могут быть пуриновыми (аденин ,гуанин ) и пиримидиновыми (цитозин , урацил (только в РНК), тимин (только в ДНК)). В зависимости от строения углевода выделяют рибонуклеиновые кислоты – содержат рибозу (РНК), идезоксирибонуклеиновые кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК).
Термин "матричные биосинтезы " подразумевает способность клетки синтезировать полимерные молекулы, таких как нуклеиновые кислоты и белки , на основе шаблона – матрицы . Это обеспечивает точную передачу сложнейшей структуры от уже существующих молекул к новосинтезируемым.
В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация ). Для использования генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция ). Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция ), обеспечивающих структуру и деятельность клетки.
На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии , согласно которой перенос генетической информации осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок.
Гибридизация уже широко используется
Если нагреть раствор ДНК выше температуры 90°С или сдвинуть рН в резко щелочную или резко кислую стороны, то водородные связи между нитями ДНК разрушаются и двойная спираль расплетается. Происходит денатурация ДНК или, по-другому, плавление . Если удалить агрессивный фактор, то происходитренатурация или отжиг . При отжиге нити ДНК "отыскивают" комплементарные участки друг у друга и, в конце концов, вновь сворачиваются в двойную спираль.
Если в одной "пробирке" провести плавление и отжиг смеси ДНК, например, человека и мыши , то некоторые участки цепей ДНК мыши будут воссоединяться с комплементарными участками цепей ДНК человека с образованием гибридов . Число таких участков зависит от степени родства видов. Чем ближе виды между собой, тем больше участков комплементарности нитей ДНК. Это явление называется гибридизация ДНК-ДНК .
Если в растворе присутствует РНК, то можно осуществить гибридизацию ДНК-РНК . Такая гибридизация помогает установить близость определенных последовательностей ДНК с какой-либо РНК.
Гибридизация ДНК-ДНК и ДНК-РНК используется как эффективное средство в молекулярной генетике, судебной медицине, антропологии для установления генетического родства между видами.
Генома соответствует информационный переход ДНК → ДНК. В природе встречаются также переходы РНК → РНК и РНК → ДНК (например у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле.
Биополимеры - это синтезируемые живыми существами биологические полимеры . ДНК, РНК и белки относятся к линейным полимерам, которые собираются путём последовательного присоединения друг к другу отдельных элементов - мономеров . Последовательность мономеров кодирует информацию, правила передачи которой описываются центральной догмой. Информация передаётся с высокой точностью, детерминистически и один биополимер используется как шаблон для сборки другого полимера с последовательностью, которая полностью определяется последовательностью первого полимера.
В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера - ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться девятью (3 × 3 = 9) способами. Центральная догма разделяет эти девять типов передачи информации на три группы:
Репликация РНК - копирование цепи РНК на комплементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Таким способом реплицируются вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК.
Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки . Экстракты содержали рибосомы , но не иРНК , синтезировали белки с введённых в систему ДНК; антибиотик неомицин усиливал этот эффект .
Эпигенетические изменения - это изменения в проявлении генов, не обусловленные изменением генетической информации (мутациями). Эпигенетические изменения происходят в результате модификации уровня экспрессии генов, то есть их транскрипции и/или трансляции. Наиболее изученным видом эпигенетической регуляции является метилирование ДНК с помощью белков ДНК-метилтрансфераз , что приводит к временной, зависящей от условий жизни организма инактивации метилированного гена . Однако поскольку первичная структура молекулы ДНК при этом не изменяется, это исключение нельзя считать истинным примером передачи информации от белка к ДНК.
Прионы - белки, которые существуют в двух формах. Одна из форм (конформаций) белка является функциональной, обычно растворимой в воде. Вторая форма образует нерастворимые в воде агрегаты, часто в виде молекулярных трубочек-полимеров. Мономер - молекула белка - в этой конформации способен присоединяться к другим сходным молекулам белка, переводя их во вторую, прионоподобную, конформацию. У грибов такие молекулы могут передаваться по наследству. Но, как и в случае метилирования ДНК, первичная структура белка в данном случае остаётся прежней, и переноса информации на нуклеиновые кислоты не происходит.
Хорас Джадсон (англ. Horace Judson ) написал в книге «Восьмой день творения»:
«Я считал, что догма - это идея, которая не подтверждена фактами. Понимаете?». И Крик воскликнул с удовольствием: «Я просто не знал, что означает „гипотеза “ в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное… Как оказалось, использование термина „догма“ вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило… Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом „догма“, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».
Оригинальный текст (англ.) // The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (25th anniversary edition). - 1996.
Какая же информация записана в молекуле ДНК, и как происходит расшифровка или декодирование этой информации? В начале ХХ века в 1902 году Арчибальд Гаррод высказал предположение о том, что некоторые наследственные заболевания обусловлены врожденными ошибками метаболизма. В 30-е годы в работах Бидла и Эфрусси, выполненных на дрозофиле, было убедительно показано, что мутации блокируют определенные этапы биосинтеза конечного продукта. И, наконец, в 1952 году были найдены прямые доказательства предположения А. Гаррода на примере известного наследственного заболевания человека – гликогеноза 1 типа. Было показано, что болезнь развивается вследствие снижения активности всего лишь одного фермента – глюкозо-6-фосфатазы. Так было сформулировано важнейшее положение: «один ген – один фермент», названное впоследствии центральной догмой молекулярной генетики . В дальнейшем было показано, что это положение справедливо не только для ферментов, но и для других белков. Современная формулировка центральной догмы молекулярной генетики звучит так: «один ген – одна полипептидная цепь », так как многие белки состоят из разных полипептидных цепей, при этом каждая из них кодируется собственным . Но и это положение оказывается справедливо не для всех генов. Конечными продуктами примерно четверти генов человека являются не белки, а рибонуклеиновые кислоты () .
Также как ДНК, состоят из четырех типов произвольно чередующихся нуклеотидов. Правда, в функции Т выполняет другой нуклеотид – У (урацил) – рис.15. Второе важное структурное отличие заключается в том, что в РНК в основании располагается другой сахар — не дезоксирибоза, а рибоза. Рибоза также содержит 5 углеродных атомов, однако в отличие от дезоксирибозы атом водорода при втором атоме углерода в рибозе замещен на гидроксильную группу (-ОН). РНК функционируют в виде однонитевых структур, хотя они и способны образовывать двунитевые структуры, в частности, с молекулами ДНК.
Разберем более подробно, как происходит переход от ДНК к полипептидной цепи – рис. 17.
Рисунок 17. Центральная догма молекулярной генетики
Первым шагом на пути расшифровки информации в молекуле ДНК является транскрипция – синтез молекул РНК, комплементарных определенным участкам в молекуле ДНК. Транскрипция происходит в ядрах клеток и осуществляется с помощью фермента – РНК-полимеразы . Те участки молекулы ДНК, которые транскрибируются, как раз и являются генами. Молекулы РНК, которые образуются в результате транскрипции, носят название преРНК или точнее первичный РНК-транскрипт. Серия модификаций превращает преРНК в информационную или матричную РНК — мРНК . Большой вклад в открытие и изучение роли мРНК внесли исследования С. Бреннера и Ф. Жакоба, выполненные в 1961 году на микроорганизмах. При процессинге преРНК, то есть переходе от преРНК к мРНК, происходят изменения на концах молекулы. Это полиаденелирование – присоединение полиА-последовательности к 3’-концу, и кэпирование – присоединение гуанозин-3-фосфата к 5’-концу молекулы преРНК. Концевые модификации обеспечивают стабилизацию мРНК и возможность ее продвижения к нужным органеллам, в первую очередь, к рибосомам. У прокариот процессинг преРНК ограничивается только этими концевыми модификациями.
Но у эукариот, в том числе и у человека, одной из главных смысловых модификаций при переходе от преРНК к мРНК является сплайсинг . Для того чтобы определить, что такое сплайсинг, нужно вспомнить о прерывистой структуре большинства генов эукариот. В отличие от прокариот, кодирующие области генов эукариот, которые называются экзонами , как правило, перемежаются с длинными некодирующими участками – интронами . В процессе транскрипции и экзоны, и интроны переписываются в молекулу преРНК. А потом в ходе процессинга преРНК действует механизм избирательного вырезания интронов и сшивки экзонов с образованием мРНК. Это и есть сплайсинг – рис.18. Поскольку интроны суммарно, в среднем, значительно длиннее экзонов, молекулы мРНК могут быть в десятки раз короче молекул преРНК.
Рисунок 18. Сплайсинг
На следующем этапе мРНК переходит в цитоплазму клетки и транслируется. Трансляция – это синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК. На рис. 19 изображены основные этапы трансляции.
Рисунок 19. Трансляция мРНК
Трансляция происходит на рибосомах – небольших органеллах, широко представленных в клетках. Рибосомы состоят из двух главных субъединиц рибосомальной РНК (рРНК) . Важнейшими участниками процесса трансляции являются молекулы транспортной РНК (тРНК) . Молекулы тРНК имеют форму кленового листа (рис. 20), и они способны образовывать комплекс с одной из аминокислот и транспортировать ее к рибосоме. Какую именно аминокислоту будет транспортировать тРНК, зависит от последовательности из трех нуклеотидов в очень важном функциональном участке тРНК, который называется антикодоном .
Рисунок 20. Транпортная РНК (тРНК)
В процессе трансляции три нуклеотида мРНК, которые называются кодоном или кодирующим триплетом , входят в рибосому. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу той тРНК, у которой антикодон комплементарен этому кодону, и она доставляет свою аминокислоту. После этого происходит дальнейшее продвижение рибосомы по мРНК, и в неё включается следующий кодон. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу другой тРНК, у которой антикодон комплементарен следующему кодону. И эта новая тРНК доставляет к рибосомальному комплексу следующую аминокислоту, которая образует пептидные связи с предыдущей. Таким образом, происходит сшивка аминокислот на рибосоме с образованием полипептидной цепи.
Итак, полипептидная цепь – это последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Зрелый белок отличается от полипептидной цепи, прежде всего, наличием третичной пространственной структуры. В процессе созревания белка, то есть при белковом процессинге, на одной полипептидной цепи могут происходить десятки биохимических реакций. Белковый процессинг высоко специфичен для разных белков, и его изучение выходит за рамки нашего курса.
В основе перехода от последовательности нуклеотидов в мРНК к последовательности аминокислот в полипептидной цепи лежит генетический код (табл.3) или соответствие последовательности из трех нуклеотидов в мРНК определенной аминокислоте в белке.
Таблица 3. Генетический код
Физическим прообразом генетического кода служат молекулы транспортных РНК. Именно они обеспечивают соответствие между нуклеотидами в мРНК и аминокислотами в белке. Итак, генетический код триплетен и составлен из четырех нуклеотидов. Количество возможных сочетаний из четырех нуклеотидов по три в кодоне равно 4 3 или 64. Из этих 64 вариантов три являются сигналами прекращения процесса трансляции. Это стоп-кодоны или нонсенс-кодоны . Как только любой из этих вариантов включается в рибосому, трансляция прекращается. Остальные триплеты кодируют 20 аминокислот, причем все аминокислоты, за исключением метионина, кодируются не одним, а несколькими вариантами триплетов. Лейцин, например, кодируется шестью вариантами триплетов. Это свойство генетического кода называется вырожденностью . Вариация между триплетами, кодирующими одну и ту же аминокислоту и потому получившими название кодонов-синонимов или синономических триплетов , как правило, идет по третьему нуклеотиду в кодоне.
Расшифровка генетического кода, которая ассоциируется с исследованиями М. Ниренберга, Х. Г. Корана и М. Мессельсона, выполненными в 1966 году, также относится к разряду величайших открытий в области молекулярной генетики, позволяющих перейти от анализа генов к анализу белков и изучения функционирования клетки, как целой взаимосвязанной системы. Действительно, знание нуклеотидной последовательности кодирующей ДНК позволяет однозначно прогнозировать аминокислотную последовательность кодируемого белка. В то же время знание аминокислотной последовательности полипептидной цепи не позволяет однозначно прогнозировать нуклеотидную последовательность мРНК или кодирующую область гена в силу вырожденности генетического кода. Например, стоит в белке лейцин, и Вы не можете сказать, какой из шести возможных синономических триплетов кодирует эту аминокислоту в гене. Вы можете только написать все шесть возможных вариантов триплетов.
А почему метионин кодируется одним вариантом триплетов? Потому что он кодируется ATG-кодоном, который, в свою очередь, является местом начала транскрипции или, как говорят, сайтом инициации транскрипции . А потому трансляция всех белков начинается с метионина. Это незначащая аминокислота, она затем отщепляется при процессинге белка. Таким образом, необходимо запомнить, что ATG – это начало транскрипции, а метионин – это начало трансляции.
Удивительным является то, что генетический код оказался одинаковым для всех живых существ от вирусов до человека. Универсальность генетического кода является бесспорным доказательством родственности всего живого на Земле. При этом наиболее правдоподобной гипотезой возникновения жизни кажется ее привнесение в форме взаимодействия нуклеиновых кислот и белков откуда-то извне. Правда, остается неразрешимым вопрос, а как жизнь образовалась там, откуда она пришла на Землю? В этом месте уместнее всего произнести слово Бог и говорить о божественном характере возникновения жизни на Земле. Но это уже вопрос не науки, а убеждения. С другой стороны, еще 100 лет назад все описанные ранее и вполне материальные факты показались бы настолько фантастическими, что их объяснение могло быть произведено только с позиций божественного начала. Можно лишь надеется, что наши внуки или даже правнуки узнают, откуда пришла жизнь на Землю.
На универсальности генетического кода основана возможность проведения геноинженерных манипуляций с молекулами ДНК. Можно, например, выделить ген человека, включить его в состав ДНК вируса, ввести эту генетическую конструкцию в бактериальную клетку и быть уверенным в том, что бактериальная клетка прочтет информацию, записанную в гене человека, точно так же, как это сделала бы клетка человека. Почему? Потому что генетический код универсален! Одним из практических приложений этих биотехнологий является геноинженерное производство лекарственных препаратов, таких как , интерферон и многие другие.
Рассмотренные в данном разделе основные информационные процессы , такие как репликация, транскрипция и трансляция, обеспечивающие передачу генетической информации внутри или между клетками, основаны на матричных процессах , то есть таких процессах, когда одна из нитей ДНК или РНК служит матрицей для последующего синтеза. К матричным процессам относятся также репарация , то есть исправление дефектов, возникающих при репликации ДНК и рекомбинация — обмен между гомологичными (кроссинговер) или негомологичными участками ДНК. Молекулярные основы всех матричных процессов в настоящее время хорошо изучены.
Для того чтобы не только понять значение структурных особенностей клетки, но и, главное, разобраться в функциональных отправлениях ее отдельных компонентов и всей клетки в целом, чтобы сочетать изучение морфологии клетки с главнейшими биохимическими и генетическими особенностями ее устройства и работы, чтобы изучать клетку именно с позиций современной клеточной биологии, необходимо хотя бы вкратце вспомнить основные молекулярно-биологические закономерности, еще раз кратко обратиться к содержанию центральной догмы молекулярной биологии.
Клетка как таковая выполняет множество разнообразных функций. Как мы уже говорили, часть из них - общеклеточные, часть - специальные, характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Например, известно, что процессы транспорта в клетке разнообразных веществ, начиная с ионов и кончая макромолекулами, определяются работой специальных белков или липопротеиновых комплексов, входящих в состав плазматической и иных клеточных мембран. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят в результате активности специфических для каждой отдельной реакции белков-ферментов. Синтезы отдельных биологических мономеров, нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, сахаров и других соединений также осуществляются огромным числом специфических ферментов - белков. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещению веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинаются с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.
Белки - это основные компоненты практически всех клеточных структур. Множество химических реакций внутри клетки определяется множеством ферментов, каждый из которых ведет одну или несколько отдельных реакций. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры - в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка.
Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в места его синтеза (в рибосомы) посредником - информационной РНК (иРНК), нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку с помощью промежуточного звена - иРНК (ДНК → иРНК → белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов цепь передачи информации может идти по схеме РНК → иРНК → белок. Это не меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.
Для того чтобы в дальнейшем перейти к изучению структур клетки, связанных со всеми этапами синтеза белков, нам необходимо кратко остановиться на основных процессах и компонентах, определяющих это явление.
В настоящее время на основании современных представлений о биосинтезе белков можно дать следующую общую принципиальную схему этого сложного и многоступенчатого процесса (рис. 16).
Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте - ДНК. Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами - мономерами - этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальна и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного каого-либо белка в клетке, часто обозначают термином «цистрон». В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген. В уникальной структуре гена - в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи - заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.
Из общей схемы белкового синтеза видно (см. рис. 16), что начальным пунктом, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в клетке, является ДНК. Следовательно, именно ДНК содержит ту первичную запись информации, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки к клетке, из поколения в поколение.
Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т.е. о локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно известно, что, в отличие от всех прочих компонентов белоксинтезирующего аппарата, ДНК имеет особую, весьма ограниченную локализацию: местом ее нахождения в клетках высших (эукариотических) организмов будет клеточное ядро. У низших (прокариотических) организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отмешана от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидных образований. В полном соответствии с этим ядро эукариот или нуклеоид прокариот издавна рассматривается как вместилище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий реализацию наследственных признаков организмов и их передачу в поколениях.
Главный принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это так называемый принцип комплементарности (рис. 17). Как уже упоминалось, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими - комплементарными - парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).
Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи - А во второй цепи, каждому Г первой цепи - Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи - Г во второй цепи.
Указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из четырех сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате (как видно на рис. 17) вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.
Необходимо подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого, безусловно, составляет одно из главных достижений биологии.
Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпывается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза - воспроизведения ДНК по описанной выше схеме - необходима деятельность специального ферментативного комплекса, носящего название ДНК-полимеразы. Именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. Работа фермента в ходе редупликации ДНК представляет собой на сегодня одну из наиболее интересных проблем. Вероятно, ДНК-полимераза как бы активно ползет вдоль двутяжной молекулы ДНК от одного ее конца к другому, оставляя позади себя раздвоенный редуплицированный «хвост». Физические принципы такой работы данного белка пока не ясны.
Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на одной цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера - рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые рассматриваются как небольшая модификация четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Таким путем нуклеотидная последовательность генов копируется в виде молекул РНК, т.е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься большое, теоретически неограниченное количество таких «копий» - молекул РНК. Эти молекулы, переписанные во многих экземплярах как «копии» генов и, стало быть, несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке. Они уже непосредственно входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают «личное» участие в процессах создания белковых молекул. Другими словами, они переносят информацию от места, где она хранится, в места ее реализации. Соответственно эти РНК обозначают как информационные (иРНК) или матричные (мРНК).
Выяснено, что цепь иРНК синтезируется, прямо используя соответствующий участок ДНК в качестве матрицы. Синтезируемая цепь мРНК при этом точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (принимая, что урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Это происходит на основе того же структурного принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК (рис. 18). Оказалось, что когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК - Г в цепи РНК, каждому Т цепи ДНК - А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК - У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом происходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т.е. транскрипция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов цепи РНК уже непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белка.
Здесь, как и при рассмотрении редупликации ДНК, в качестве одного из наиболее существенных моментов процесса транскрипции необходимо указать на его ферментативный характер. ДНК, являющаяся матрицей в этом процессе, целиком определяет расположение нуклеотидов в синтезирующейся цепи мРНК, всю специфичность образуемой РНК, но сам ход процесса осуществляется особым белком - ферментом. Этот фермент называется РНК-полимеразой. Его молекула имеет сложную организацию, позволяющую ему активно продвигаться вдоль молекулы ДНК, одновременно синтезируя цепочку РНК, комплементарную к одной из цепей ДНК. Молекула ДНК, служащая матрицей, при этом не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и всегда готовая для такого переписывания с нее неограниченного количества «копий» - мРНК. Поток этих мРНК от ДНК к рибосомам и составляет тот поток информации, который обеспечивает программирование белоксинтезирующего аппарата клетки, всей совокупности ее рибосом.
Таким образом, рассмотренная часть схемы описывает поток информации, идущий от ДНК в виде молекул мРНК к внутриклеточным частицам, синтезирующим белки. Теперь мы обратимся к потоку иного рода - к потоку того материала, из которого должен создаваться белок. Элементарными единицами - мономерами - белковой молекулы являются аминокислоты, которых насчитывается около 20. Для создания (синтеза) белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке, должны быть вовлечены в соответствующий поток, поступающий в белоксинтезирующую частицу, и уже там расставлены в цепочку определенным уникальным образом, диктуемым информационной РНК. Такое вовлечение аминокислот - строительного материала для создания белка - осуществляется путем присоединения свободных аминокислот к особым молекулам РНК относительно небольшого размера. Эти РНК, служащие для присоединения к ним свободных аминокислот, не являясь информационными, несут иную - адапторную - функцию, смысл которой будет виден дальше. Аминокислоты присоединяются к одному из концов небольших цепочек трансферных РНК (тРНК), по одной аминокислоте на одну молекулу РНК. Для каждой такой аминокислоты в клетке существуют свои специфические молекулы адапторных РНК, присоединяющие только эти аминокислоты. В таком навешенном на РНК виде аминокислоты и поступают в белоксинтезирующие частицы.
Центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние этих двух внутриклеточных потоков - потока информации и потока материала - в белоксинтезирующих частицах клетки. Эти частицы называются рибосомами. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические биохимические «машины» молекулярных размеров, где из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Хотя на рис. 19 изображена лишь одна частица, каждая клетка сдержит тысячи рибсом. Количество рибосом определяет общую интенсивность белкового синтеза в клетке. Диаметр одной рибосомной частицы около 20 нм. По своей химической природе рибосома - рибонуклеопротеид: она состоит из особой рибосомной РНК (это третий известный нам класс РНК в дополнение к информационным и адапторным РНК) и молекул структурного рибосомного белка. Вместе это сочетание нескольких десятков макромолекул образует идеально организованную и надежную «машину», обладающую свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы специфического строения. Поскольку существо процесса состоит в том, что линейная расстановка 20 различных аминокислот в цепи белка однозначно детерминируется расположением четырех разных нуклеотидов в цепи химически совсем иного полимера - нуклеиновой кислоты (мРНК), то этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод», - перевод как бы с четырехбуквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. Как видно, в процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции; рибосомная РНК, играющая роль организатора белоксинтезирующей рибонуклеопротеидной частицы - рибосомы; и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.
|
Рис. 19. Схема функционирующей рибосомы |
Процесс синтеза белка начинается при образовании соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК, или тРНК. При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем «активированная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.
Одновременно с этим решается и вторая задача. Дело в том, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент, обозначаемый как аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот имеются свои особые ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты. Таким образом, существует не менее 20 ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаза), каждый из которых специфичен для одной определенной аминокислоты. Каждый из этих ферментов может вести реакцию не с любой молекулой тРНК, а лишь с теми, которые несут строго определенное сочетание нуклеотидов в своей цепи. Таким образом, благодаря существованию набора столь специфических ферментов, различающих, с одной стороны, природу аминокислоты и, с другой - нуклеотидную последовательность тРНК, каждая из 20 аминокислот оказывается «приписанной» только к определенным тРНК с данным характерным нуклеотидным сочетанием.
Схематически некоторые моменты процесса биосинтеза белка, насколько мы их представляем на сегодняшний день, даны на рис. 19. Здесь прежде всего видно, что молекула информационной РНК соединена с рибосомой или, как говорят, рибосома «запрограммирована» информационной РНК. В каждый данный момент непосредственно в самой рибосоме находится лишь относительно короткий отрезок цепи мРНК. Но именно этот отрезок при участии рибосомы может взаимодействовать с молекулами адапторных РНК. И здесь снова главную роль играет принцип комплементарности.
В этом и состоит объяснение механизма того, почему данному триплету цепи мРНК соответствует строго определенная аминокислота. Необходимым промежуточным звеном, или адаптором, при «узнавании» каждой аминокислотой своего триплета на мРНК является адапторная РНК (тРНК).
На рис. 19 видно, что в рибосоме помимо молекулы тРНК с навешенной аминокислотой находится еще одна молекула тРНК. Но, в отличие от рассмотренной выше молекулы тРНК, эта молекула тРНК своим концом присоединена к концу находящейся и процессе синтеза белковой (полипептидной) цепочки. Такое положение отражает динамику событий, происходящих в рибосоме в процессе синтеза белковой молекулы. Эту динамику можно представить себе следующим образом. Начнем с некоего промежуточного момента, отраженного на рис. 19 и характеризующегося наличием уже начавшей строиться белковой цепочки, присоединенной к ней тРНК и только что вошедшей в рибосому и связавшейся с триплетом новой молекулы тРНК с соответствующей ей аминокислотой. По-видимому, сам акт присоединения молекулы тРНК к расположенному в данном месте рибосомы триплету мРНК приводит к такой взаимной ориентации и тесному контакту между аминокислотным остатком и строящейся цепью белка, что между ними возникает ковалентная связь. Связь возникает таким образом, что конец строящейся белковой цепи (на рис. 19 присоединенный к тРНК) переносится от этой тРНК на аминокислотный остаток поступившей аминоацил-тРНК. В результате «правая» тРНК, сыграв роль «донора», окажется свободной, а белковая цепь - переброшенной на «акцептор», т.е. на «левую» (поступившую) аминоацил-тРНК. В итоге белковая цепь окажется удлиненной на одну аминокислоту и присоединенной к «левой» тРНК. Вслед за этим происходит переброска «левой» тРНК вместе со связанным с ней триплетом нуклеотидов мРНК вправо, тогда прежняя «донорная» молекула тРНК окажется вытесненной отсюда и уйдет из рибосом. На ее месте появится новая тРНК со строящейся цепью белка, удлиненной на один аминокислотный остаток, а цепь мРНК будет продвинута относительно рибосомы на один триплет вправо. В результате продвижения цепи мРНК на один триплет вправо в рибосоме появится следующий вакантный триплет (УУУ), и к нему немедленно по комплементарному принципу присоединится соответствующая тРНК с аминокислотой (фенилаланил-тРНК). Это опять вызовет образование ковалентной (пептидной) связи между строящейся цепью белка и фенилаланиновым остатком и вслед за этим продвижение цепи мРНК на один триплет вправо со всеми вытекающими отсюда последствиями и т.д. Таким путем осуществляется последовательно, триплет за триплетом, протягивание цепи информационной РНК через рибосому, в результате чего цепь иРНК «прочитывается» рибосомой целиком, от начала до конца. Одновременно и сопряженно с этим происходит последовательное, аминокислота за аминокислотой, наращивание белковой цепочки. Соответственно в рибосому одна за другой поступают молекулы тРНК с аминокислотами и выходят молекулы тРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы тРНК снова соединяются с аминокислотами и опять несут их в рибосому, сами же, таким образом, циклично обращаясь без разрушения и изменения.
