Действие генов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Биология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Под действием генов (экспрессией, выражением генов) понимают способность их контролировать свойства или, точнее, синтез белков. Для действия генов характерен ряд особенностей, важнейшей из которых является их экспрессивность, под которой понимают степень фенотипической выраженности генов, т. е. «силу» действия генов, проявляющуюся в степени развития контролируемых ими признаков. Термин предложен Н. В. Тимофеевым-Ресовским (1900−1981). Экспрессивность генов не является постоянным свойством наследственности, ибо она очень вариабельна у растений, животных и у человека. Например, у разных людей проявляется по-разному такой признак, как способность ощущать вкус фенилтиокарбамида. Для одних людей это вещество является слишком горьким, для других его горечь кажется меньшей, что является результатом разной степени экспрессивности гена, контролирующего способность ощущать вкус этого соединения. Примером вариабельности экспрессивности генов является также экспрессивность доминантного гена, контролирующего ювенильную катаракту глаз человека. Экспрессия этого гена у разных индивидуумов варьирует от слабого помутнения хрусталика глаз до его полной непрозрачности.

С другой стороны, для действия генов у млекопитающих характерен так называемый геномный импринтинг, заключающийся в том, что два аллеля гена экспрессируются дифференциально, т. е. экспрессируется только один аллель из двух аллелей (отцовского и материнского), унаследованных от родителей. Например, у человека ген инсулинподобного фактора 2 нормально экспрессируется только из аллеля, унаследованного от отца, тогда как соседний с ним ген, кодирующий нетранслируемую РНК, экспрессируется только из аллеля, унаследованного от матери.

Важнейшей особенностью действия генов является также их пенетрантность, впервые описанная тоже Н. В. Тимофеевым-Ресовским. Под ней понимают частоту проявления того или иного гена, измеряемую частотой встречаемости признака в популяции, т. е. частотой встречаемости в популяции организмов, обладающих этим признаком. Перетрантность является статистической концепцией регулярности, с которой выражается (экспрессируется) тот или иной ген в популяции. Если какой-либо ген в популяции фенотипически выражается у индивидуумов, количество которых составляет 75% обследованных, то считают, что его пенетрантность тоже составляет 75%. Например, доминантный ген, контролирующий изменение цвета склеры глаз человека встречается у 90% людей. Следовательно, пенетрантность этого гена составляет 90%.

Экспрессивность и пенетрантность подвержены колебаниям. Причины этих колебаний не совсем ясны. Тем не менее, обычно вариабельность в экспрессивности и пенетрантности генов объясняют либо модифицирующим влиянием других генов, которые получили название генов-модификаторов, либо совместным действием обоих этих факторов, а возможно и других факторов. Учет природы экспрессивности и пенетрантности генов имеет большое практическое значение в генетике человека, животных и растений. В случае человека эти явления учитывают при диагностике наследственных болезней, тогда как в животноводстве и растениеводстве они используются в селекции животных и растений.

Организмы наследуют от своих родителей не признаки и не свойства, как это долго считали ранее. Они наследуют гены, которые действуют на протяжении всей жизни организмов. В соответствии с существующими представлениями действие генов осуществляется через мРНК и приводит к образованию белков. Следовательно, мРНК являются первичными продуктами, тогда как белки являются конечными продуктами действия генов, т. е. результатом действия генов. Другими словами, гены контролируют структуру белков и ничего больше.

Поскольку материалом генов является ДНК, то в самом начале после открытия генетической роли ДНК возник вопрос и сводился к следующему: каким образом ДНК осуществляет свои функции в контроле синтеза белков? Ответ на этот вопрос заключается в том, что в ДНК содержится (закодирована) генетическая информация о синтезе белков, т. е. в ДНК содержится генетический код, под которым понимают систему записи в молекулах ДНК генетической информации о синтезе белков. Реализация генетического кода происходит в два этапа, один из которых называют транскрипцией, второй -- трансляцией. Поток информации реализуется по схеме ДНК -- РНК -- белок. С тех пор как были открыты генетический код и механизмы его реализации (действия), эта схема получила название центральной догмы биологии.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

Как отмечено выше, генетическая информация о синтезе белков содержится в молекулах ДНК и закодирована с помощью кода, получившего название генетического. Код, его структура и свойства были открыты в 60-х годах.

Структура генетического кода характеризуется тем, что он является триплетным, т. е. состоит из триплетов (троек) азотистых оснований ДНК, получивших название кодонов. Из 64 (4×4×4) возможных сочетаний нуклеотидов (кодонов) 61 является кодирующим, кодируя место аминокислоты в полипептидах. Три кодона, не кодируя места аминокислот в полипептиде, детермини- руют лишь остановку синтеза полипептида. Поэтому они названы стоп-кодонами или, иногда, терминирующими кодонами. Итак, один кодон кодирует место одной аминокислоты в полипептидной цепи

Что касается свойств генетического кода, то их несколько. Код является неперекрывающимся, линейным, не имеющим пунктуации («запятых»), обеспечивающей свободные пространства между кодонами, и вырожденным.

Неперекрываемость генетического кода означает, что любое азотистое основание является членом только одного кодона. Ни одно азотистое основание не входит одновременно в два кодона. Например, в последовательности ААГАУАГЦА имеется три кодона ААГ, АУА, ГЦА, но не перекрывающиеся кодоны ААГ, АГА, ГАУ и т. д.

Код является линейным по той причине, что молекулы ДНК являются линейными полимерами. Кодоны в виде триплетов азотистых оснований следуют вдоль молекулы ДНК без перерывов в направлении от 5'-конп:а к 3'-концу, причем между кодонами нет свободных пространств, нет пунктуации.

Вырожденность кода определяется тем, что место в полипептиде одной и той же аминокислоты может кодироваться одновременно несколькими кодонами, но не совместно, а раздельно. Это распространяется на все аминокислоты, кроме метионина и триптофана, которым соответствуют одиночные кодоны

ТРАНСКРИПЦИЯ И ТРАНСЛЯЦИЯ

«Мост» между геном (кодонами) и белком обеспечивается РНК. Точнее, информация, закодированная в последовательности азотистых оснований ДНК, вначале переносится от ДНК к матричной РНК (мРНК). Этот этап переноса информации носит название транскрипции и происходит у прокариотов в нуклеоиде, а у эукарио-тов -- в ядре. Что же касается перевода информации с мРНК в белки, то этот этап декодирования получил название трансляции.

Транскрипция -- первый этап в передаче генетической информации, сущность которого заключается в синтезе мРНК, т. е. в «переписывании» генетической информации в молекулы мРНК Транскрипция начинается с фиксированного пункта и заканчивается также в фиксированном пункте. Основными структурами, которые участвуют в транскрипции, являются ДНК-матрица (цепь ДНК), РНК-полимераза и хромосомные белки (гистоновые и негистоновые).

Молекулы мРНК составляют около 3% общей клеточной РНК. Они очень нестабильны. Период их полужизни очень краток. У прокариотов он составляет 2--10 минут, у млекопитающих и человека -- около 12−16 часов, у некоторых других эукариотов -- даже несколько недель. У прокариотов молекулы мРНК являются непосредственными продуктами транскрипции. Напротив, у эукариотов они являются продуктами процессинга первичных РНК-транскриптов

Синтез молекул мРНК происходит в ядре клетки и очень сходен с репликацией ДНК. Отличие заключается лишь в том, что в качестве матрицы (шаблона) для копирования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. При этом копирование мРНК может начаться с любого пункта одиночной цепи ДНК, к которому прикрепляется РНК-полимераза и который называют промотором. Однако возможны случаи, когда два даже соседних гена могут транскрибироваться с разных цепей. Таким образом, для транскрипции может быть использована любая из двух цепей ДНК, но в любом случае одна из цепей транскрибируется одними РНК-полимеразами, другая -- другими РНК-полимеразами, причем выбор цепи ДНК для транскрипции определяется промоторной последовательностью, которая задает направление движения РНК-полимеразы.

Поскольку обе цепи ДНК имеют противоположную полярность, а цепи РНК растут лишь в направлении от 5'-конца к 3'-концу, то транскрипции на каждой из цепей ДНК проходят в противоположных направлениях. Выбор цепи ДНК для транскрипции определяется содержанием последовательностей на ее промоторных участках (местах присоединения РНК-полимеразы). Цепь, которая содержит те же последовательности, что и мРНК, называют кодирующей, а цепь, обеспечивающую синтез мРНК (на основе комплементарного спаривания) -- антикодирующей. Из-за считывания кода с мРНК для его записи используют основания не А, Г, Т, Ц, а А, Г, У, Ц. Далее, мРНК не остается комплементарно связанной с ДНК-шаблоном, т. к. она освобождается от ДНК, которая затем восстанавливает свою двойную структуру. Наконец, молекулы мРНК значительно короче цепи шаблона ДНК. В одной эукаритической клетке количество молекул мРНК доходит до 10 000 и более.

Однако наряду с молекулами мРНК на ДНК образуются и другие транскрипты. В частности, транскрибируются молекулы рибосомной и транспортных РНК, которые также имеют важное значение в реализации генетической информации. Все эти РНК называют еще ядерными. Размеры транскриптов (транскрибируемых молекул РНК) зависят от посылаемых с цепи ДНК-шаблона сигналов начала и остановки синтеза (кодонов инициации и терминации).

Наиболее обильными РНК в клетках всех видов являются молекулы рибосомной РНК (рРНК), которые выполняют роль структурных компонентов рибосом. У эукариот синтез рРНК контролируется огромным количеством генов (сотни-тысячи копий) и происходит в ядрышке. В клетках человека гены для рРНК локализованы на 13, 14, 15, 21 и 22 парах хромосом.

В меньших количествах в клетках обнаруживаются молекулы транспортных РНК (тРНК), которые участвуют в декодировании информации (трансляции).

Все РНК транскрибируются с ДНК, которая несет множественные копии соответствующих генов. Непосредственными предшественниками в синтезе РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты, причем здесь действует то же правило спаривания оснований за исключением того, что кодируются лишь ограниченные сегменты цепи ДНК и что тимин в ДНК заменяется на урацил в РНК. Ура-цил спаривается с аденином таким же образом, как и тимин. Цепь РНК растет в направлении от 5'- к 3'-концу с освобождением пирофосфата.

Синтез РНК обеспечивается РНК-полимеразами. У прокариот синтез мРНК, рРНК и тРНК осуществляет лишь один тип РНК-полимеразы, количество молекул которой в клетках достигает до 3000 молекул. Каждая из молекул этой РНК-полимеразы состоит из шести полипептидов, какими являются субъединицы р' и (3 (м. м. 155 ПОО и 151 000 соответственно), двух субъединиц, а м. м. 36 000 и еще двух низкомолекулярных субъединиц (8 и ю). Инициация транскрипции обеспечивается субъединицей 5 -- РНК-полимеразы, которая является, по существу, фактором инициации транскрипции. Как отмечено выше, связывание РНК-полимеразы с ДНК происходит на участке, называемом промотором и содержащем старт-сигнал для синтеза РНК, и контролируется белковым фактором. У Е. coli промоторы содержат последовательность ТАТААТ (бокс Прибнау), отстоящую от сайта начала транскрипции мРНК на расстояние в шесть оснований. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает в этом участке двойную спираль ДНК, обнажая цепи, каждая из которых служит затем матрицей, на которой происходит спаривание комплементарных оснований ДНК и рибонуклеозидтрифосфатов. Как только произошло спаривание двух первых мономеров РНК-полимераза продвигается дальше, обнажая дальнейшие участки цепей ДНК и добавляя последующие мономеры РНК. Удлинение цепи РНК происходит до тех пор, пока РНК-полимераза на своем пути не встретит «стоп-сигнал» и не отделится затем как от ДНК-шаблона (матрицы), так и РНК.

Напротив, в клетках эукариот (в частности, у дрожжей и человека) существуют три РНК-полимеразы (I, II, III), представляющие собой сложные молекулы, содержащие по нескольку полипептид-ных цепей. Каждая из этих РНК-полимераз, прикрепляясь к про-мотору на ДНК, обеспечивает транскрипцию разных последовательностей ДНК. РНК-полимераза I синтезирует крупные рРНК (основные молекулы РНК больших и малых субъединиц рибосом). РНК-полимераза II синтезирует все мРНК и часть малых рРНК, РНК-полимераза III синтезирует тРНК и РНК 5з-субъединиц рибосом. Количество РНК-полимераз в клетках млекопитающих различно (около 40 000 молекул РНК-полимераз I и II и около 20 000 молекул РНК-полимеразы III на клетку).

Эукариотические РНК-полимеразы также характеризуются сложным строением. РНК-полимераза II многих организмов построена из 12 различных полипептидов, три из которых гомологич-ны субъединицам р', р и, а РНК-полимеразы Е. coli. РНК-полимеразы I и III обладают 5 субъединицами, сходными с субъединицами РНК-полимеразы II. РНК-полимераза II инициирует транскрипцию, причем для этого требуется белок ДНК-геликаза, детерминируемая у дрожжей геном RA25, а у человека -- геном XRB. Большинство эукариотических промоторов содержат последовательность ТАТА, локализованную на расстоянии от 30 до 120 оснований от сайта транскрипционного сайта. У эукариотов для связывания РНК-полимеразы с промотором необходимы специальные белки, выполняющие функцию факторов инициации транскрипции (TF I, TF II, и TF III для РНК-полимераз I, II и III соответственно).

Транскрипция у эукариот является более сложным процессом по сравнению с транскрипцией у прокариотов. Длина последовательностей РНК (транскриптов), синтезируемых той или иной РНК-полимеразой, доходит до 50 000 нуклеотидов и более, причем за одну секунду они удлиняются на 30 азотистых оснований. Однако будучи точными копиями транскрибируемых генов, формируемые первичные транскрипты являются гетерогенными, т. к. не на всем протяжении способны к трансляции. По этой причине транскрипты называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) или про-мРНК.

Для того чтобы про-мРНК стала «зрелой» мРНК, она еще в ядре вовлекается в процессинг, который заключается в том, что из про-мРНК с помощью ферментов «вырезаются» нетранслируемые участки (интроны), после чего транслируемые участки (эксоны) воссоединяются Воссоединение называют сплайсингом (от англ. splice -- сращивать). В результате процессинга образуются непрерывные последовательности зрелой мРНК, которые по своим размерам значительно меньше молекул про-мРНК, т. е. являются более короткими Молекулы гяРНК содержит обычно более 50 000 нуклеотидов, тогда как после сплайсинга мРНК содержит всего лишь 500−3000 нуклеотидов.

Подсчитано, что гяРНК составляет половину всей клеточной РНК, тогда как на долю зрелой мРНК приходится лишь 3% клеточной РНК.

Размеры интронов составляют обычно 80--1000 азотистых оснований.

Биохимические механизмы сплайсинга определяются участием в этом процессе малых гетерогенных ядерных рибонуклеопроте-иновых частиц (sm RNP). Таких частиц выявлено несколько (V^, Ug, U^, Ug и другие), каждая из которых содержит по 90−150 нуклеотидов и по 10 разных белков. Все эти структуры контролируются в интерфазном ядре, причем их концентрация контролируется одной из киназ.

Один и тот же транскрипт РНК может подвергаться разному сплайсированию, в результате чего сплайсированные участки зрелой мРНК могут кодировать разные белки, что свидетельствует в пользу эволюционного значения этой реакции.

Помимо модификации ядерной про-мРНК путем «вырезания» и сплайсинга ее сегментов нередко имеет место так называемое «редактирование» РНК, которое заключается в конверсии одного основания в другое в мРНК. Например, в клетках печени синтезируемый белок аполидопротеин имеет молекулярную массу порядка 512 000 дальтон, а в клетках кишечника лишь 242 000. Это является результатом конверсии цитозина в урацил (в клетках кишечника), что ведет к образованию стоп-кодона, а, следовательно, и к синтезу более короткого белка. Наконец, возможна модификация мРНК и путем посттранскрипционного добавления к ее 3'-концу от 30 до 500 нуклеотидов полиадениловой кислоты на расстоянии 15 нуклеотидов от последовательности ААУААА. По этой причине транскрипций заканчивается вдали от полиА-сигнала, а процессинг удаляет экстрануклеотиды перед полиА-добавлением (полиаденозином).

Синтезированная зрелая мРНК является первичным продуктом действия генов. В случае Е. coil после формирования она переходит затем из ядра в цитоплазму и на рибосомы, на которых спаривается с рРНК рибосомной субъединицы 30 S. Последовательность мРНК, которая связывается с рРНК рибосомной субъединицы 16 S, получила название последовательность Шайно-Дальгарно. Здесь мРНК служит матрицей для формирования полипептидных цепей на рибосомах. Считают, что в клетках имеется по 2000—3000 молекул мРНК, находящихся на разных уровнях синтеза и распада. В частности, установлены рибозимы с полинуклеотидкиназной активностью, способные катализировать АТФ-зависимое фосфорили-рование

Молекулы рРНК и тРНК также являются продуктами процессинга.

Открытие интронов поставило вопрос об их происхождении. В объяснении их происхождения используют две гипотезы. В соответствии с одной гипотезой интроны были представлены уже в предковых генах, в соответствии с другой интроны были включены в гены, которые оригинально были непрерывными.

Наряду с описанной схемой транскрипции у некоторых РНК-овых вирусов известна так называемая обратная транскрипция, при которой матрицей для синтеза ДЕК является РНК и которая осуществляется ферментом, получившим название обратной транскриптазы (ревертазы). Здесь реализация генетической информации идет по схеме РНК -- ДНК -- белок. Как свидетельствуют исследования, обратная транскриптаза найдена как у прокариотов, так и эукариотов. Считают, что ревертаза имеет очень древнее происхождение и существовала еще до разделения организмов на прокариоты и эукариоты.

Трансляция является важной составной частью общего метаболизма клетки и ее сущность заключается в переводе генетической информации с мРНК, являющейся первичным продуктом действия генов, в аминокислотную последовательность белков. Трансляция происходит в цитоплазме на рибосомах и является центральным процессом в синтезе белков, в котором помимо рибосом участвуют мРНК, 3−5 молекул рРНК, 40−60 молекул разных тРНК, аминокислоты, около 20 ферментов (аминоацил-тРНК синтетаз), активирующих аминокислоты, растворимые белки, вовлекаемые в инициацию, элонгацию и терминацию полипептидной цепи.

Рибосомы состоят наполовину из белка и наполовину из рРНК (по 3−5 молекул на каждую рибосому). Размеры рибосом выражают в единицах скорости седиментации при центрифугировании (S). У прокариот размеры рибосом составляют 70 S, у эукариот -- 80 S. Рибосомы построены из пары субъединиц (большой и малой), которые диссоциируют по завершению трансляции мРНК. У Е. coli большая субъединица (50 S) содержит две молекулы рРНК (5 S и 23 S) и 30 полипептидов, тогда как малая субъединица (30 S) содержит одну молекулу рРНК (16 S) и 19 полипептидов. У эукариот большая субъединица содержит три разных молекулы рРНК (58, 5,8 S и 20 S), тогда как малая субъединица -- одну молекулу рРНК (18 S).

Транспортные (адапторные, растворимые) РНК являются малыми (5 S) молекулами длиной в 75--80 нуклеотидов. Их необходимость в трансляции определяется тем, что в отличие от ферментов, узнающих субстрат прямым образом, кодоны мРНК не способны прямо узнавать аминокислоты. Для этого должны существовать специальные адаптеры, узнающие и кодон и аминокислоту. Функцией таких адаптеров и обладает тРНК. Нуклеотиды тРНК построены из остатка фосфорной кислоты, углеводной части (рибозы) и основания. Главными нуклеотидами тРНК являются адениловый, гуаниловый, цитидиловый и уридиловый нуклеотиды. Вместе с тем одна из особенностей структуры тРНК заключается в том, что все они содержат по нескольку необычных, так называемых минорных нуклеотидов, причем последние являются химическими модификациями аденилового, гуанилового, питидилового и уридилового нуклеотидов (в основном в виде метилированных пуринов или нуклеотидов, обладающих метилированной рибозой). Некоторые из этих минорных нуклеотидов находятся в одном и том же районе у разных тРНК.

В молекуле тРНК вопреки ее одноцепочечной структуре имеет место комплементарное спаривание оснований, а это ведет к определенной конформации тРНК, заключающейся в том, что четыре ее сегмента формируют свернутую структуру (вторичную), которая имеет форму клеверного листа. В свою очередь эта структура подвергается дальнейшему свертыванию, превращаясь в так называемую многоскладчатую L-образную форму. Важнейшая особенность тРНК заключается в том, что по обоим концам L-образной фигуры сохраняются неспаренные нуклеотиды. Нуклеотиды одного конца фигуры формируют антикодон, а нуклеотиды другого конца (3'-конца) образуют последовательность (ЦЦА), обеспечивающую ковалентную связь с присоединяемой свободной аминокислотой.

Все тРНК характеризуются специфической последовательностью нуклеотидов. Их антикодоны комплементарны кодонам мРНК. Антикодоны располагаются в центре тРНК. Известно 55 антико-донов. Каждая тРНК способна присоединять и переносить только одну аминокислоту, но на каждую аминокислоту имеется 1−4 молекул тРНК.

Первый этап трансляции происходит в цитоплазме и заключается в комбинировании каждой аминокислоты с АТФ (в образовании аденилированной аминокислоты) и специфическим ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой В результате этого устанавливается связь между фосфатом АМФ и карбоксильной группой аминокислоты (-Р-О-С-), которая приводит к образованию комплексов, состоящих из аминокислоты, АМФ и специфического фермента. Пирофосфаты в процессе образования этих комплексов удаляются. Следует заметить, что для каждой аминокислоты существует своя синтетаза, т. е. в клетках имеется 20 разных синтетаз.

Второй этап трансляции осуществляется также в цитоплазме. Поскольку аминоацил-тРНК-синтетазы специфически распознают аминокислоты и их тРНК, то второй этап состоит во взаимодействии образованных комплексов аминокислота -- АМФ -- специфический фермент (аминоацил-тРНК-синтетаза) со специфическими тРНК (один комплекс -- одна тРНК). Поскольку на одном из концов имеется последовательность (конечное основание -- аденин, а два предыдущих -- цитозин и цитозин), то связывание одной аминокислоты со специфической тРНК происходит путем установления связи между рибозой конечного нуклеотида (адениловой кислотой) и карбоксильной группой аминокислоты (-С--О-С-). Вследствие этого взаимодействия происходит формирование так называемых аминоацил-тРНК, представляющих собой комплексы аминокислоты со специфической тРНК, и освобождение в процессе образования этих комплексов АМФ и фермента (аминоацил-тРНК-синтетазы). Следовательно, аминоацил-тРНК являются прямыми предшественниками полипептидного синтеза на рибосомах.

Осуществление этих двух этапов приводит к активации аминокислот. Одни синтетазы активируют 2'-гидроксил конечного основания тРНК, тогда как другие активируют 3'-гидроксил, а некоторые активируют и 2'-и 3'-гидроксилы. Однако эти различия не имеют значения, поскольку после освобождения аминоацильная группа на тРНК мигрирует взад и вперед.

Третий этап трансляции осуществляется на рибосомах и заключается в декодировании мРНК. В нем участвуют как мРНК, так и различные аминоацил-тРНК. Как отмечено выше, мРНК, отошедшая от ДНК в ядре и прошедшая через ядерную мембрану в цитоплазму, прикрепляется к РНК-последовательности меньшей (30 S) субъединицы рибосомы. Выше отмечено также, что последовательность мРНК, которая связывается с последовательностью рРНК рибосомной субъединицы 30 S, получила название рибосомосвязывающего сайта или последовательности Шайно-Дальгарно. Между тем каждая рибосома имеет два сайта, связывающих тРНК. Сайт, А или аминоацил-тРНК-связывающий участок (акцепторный сайт), связывает приходящую аминоацил-тРНК, которая несет аминокислоту, предназначенную для добавления в растущую полипептидную цепь рядом с ранее добавленной аминокислотой. Сайт Р, или пептидил-тРНК-связывающий сайт (донорный сайт), связывает пептидил-тРНК, к которой прикреплен растущий полипептид. Специфичность связывания аминоацил-тРНК в этих сайтах обеспечивается кодонами мРНК, которые составляют часть сайтов, А и Р. Это связывание происходит благодаря водородным связям, устанавливаемым между определенными основаниями (антикодоном) каждой аминоацил-тРНК и соответствующими основаниями (кодоном) мРНК. Первое и второе основания кодона всегда спариваются с третьим и вторым (соответственно) основаниями антикодона, тогда как третье основание кодона, если оно является урацилом, спаривается с гуанином или гипоксантином антикодона, если же оно является аденином -- то с гипоксантином антикодона, но если гуанином -- то с урацилом антикодона. Как уже отмечено, в обеспечении взаимодействия мРНК с тРНК участвует рРНК 16 S.

После связывания с мРНК аминоацил-тРНК помещают (включают) аминокислоты вдоль молекулы мРНК в последовательности, соответствующей последовательности триплетов азотистых оснований в мРНК Наращивание полипептидной цепи обеспечивается тем, что при синтезе белка рибосомы (полисомы) движутся вдоль цепи мРНК, т. е. рибосомы осуществляют считывание мРНК от одного конца до другого Эффективность работы рибосом чрезвычайно велика. Например, у бактерий одна рибо-сома за 1 секунду присоединяет к полипептидной цепи свыше 20 аминокислот. Одновременно происходит формирование пептидных связей, обеспечиваемое несколькими ферментами-трансферазами, один из которых катализирует одновременно связывание аминоа-цил-тРНК с рибосомной, происходящее в присутствии ГТФ как кофактора. Каждая пептидная связь образуется ковалентным связыванием атома углерода карбоксильной группы первой аминокислоты с аминогруппой второй аминокислоты. При этом в процессе связывания происходит открепление тРНК первой аминокислоты от углерода карбоксильной группы своей аминокислоты. Каждая вновь добавляемая аминокислота встает на место, следующее за аминокислотой, добавленное ранее. Как видно, полипептидная цепь наращивается с карбоксильного конца, а аминокислоты добавляются последовательно. Трансляция осуществляется в направлении от 5'- к 3'-концу полипептидного тяжа.

тРНК характеризуются исключительно высокой специфичностью, что проявляется в их антикодоновых последовательностях, соответствующих кодонам, доступности для распознания нужной аминоацил-тРНК-синтетазой и в точности связывания с сайтами, А и Р на рибосомах.

Инициация, элонгация и терминация полипептидного синтеза находятся под генетическим контролем.

Наряду с кодонами, детерминирующими последовательность аминокислот, существуют кодоны, определяющие начало и конец чтения иРНК. В синтезе белка существенная роль принадлежит N-концевой аминокислоте формилметионину и его тРНК. N-формилметионил-тРНК (ОНСNHCH (CH2CH2 SCH3)COОтРНК) образуется в результате формилирования а-аминогруппы метионина NH2СН (СН2СН2SCH3)СООН в метионил-тРНК. Поскольку формулирование характерно только для метионина и катализируется ферментом трансформилазой, то считают, что формилметионин-тРНК является инициатором синтеза полипептида. Это означает, что все полипептиды в процессе синтеза начинаются с метионина. N-формилметионин является N-концевой аминокислотой всех белков.

Инициация полипептидной цепи у кишечной палочки начинается с образования комплекса между мРНК, формилметионин-тРНК и рибосомной единицей 30 8, которое обеспечивается факторами (белками) инициации IF1, IF2 и IF3, а также ГТФ. Этот комплекс вступает в комбинацию с 50 S-рибосомной единицей, в результате чего формилметионин-тРНК становится связанной с пептидиловым сайтом. Энергия для этого обеспечивается гидролизом одной молекулы ГТФ. Кодоны АУГ, ГУА и ГУГ на 5'-конце или рядом с ним направляют включение N-формилметионина в качестве N-концевой аминокислоты белка. Можно сказать, что эти кодоны являются специфическими инициаторами белкового синтеза. Наиболее активным является кодон АУГ.

Элонгация (удлинение) полипептидной цепи обеспечивается белковыми факторами элонгации ef-TS и EF-Tu, а также гидролизом одной молекулы ГТФ, а движение молекулы мРНК с одного сайта рибосомы на другой обеспечивается фактором элонгации EF-G и гидролизом одной молекулы ГТФ. Каждый раз мРНК движется на три нуклеотида. У бактерий частота элонгации составляет 16 аминокислот в секунду. Это означает, что рибосомы двигаются вдоль мРНК со скоростью 48 нуклеотидов в секунду.

Терминация (окончание) синтеза детерминируется стоп-кодо-нами УАГ, УАА и УГА. Когда один из этих кодонов подойдет к А-сайту рибосомы, то полипептид, тРНК в Р-сайте и мРНК освобождаются, а рибосомные субъединицы диссоциируют. Окончание синтеза белка связано с активностью белковых факторов освобождения -- RF-1 и RF-2. Диссоциировав, рибосомные субъединицы начинают трансляцию другой молекулы мРНК. Большинство мРНК симультанно транслируется несколькими рибосомами (полисомами). Например, цепь гемоглобина из 150 аминокислот синтезируется на пентарибосомном комплексе. У прокариот синтез и трансляция мРНК происходят в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Далее, у них нет ядерной мембраны. Поэтому трансляция мРНК начинается еще до завершения ее синтеза. Напротив, у эукариот транскрипция и трансляция разделены во времени, поскольку требуется время для перехода мРНК из ядра через ядерную мембрану в цитоплазму.

Синтез белков является исключительно точным механизмом. Обобщенные результаты исследований частоты ошибок в белковом синтезе показывают, что одна ошибка, т. е. одно включение «неправильной» аминокислоты, происходит лишь на каждые 10 000 включенных аминокислот. Точность механизма белкового синтеза обеспечивается точностью связывания аминокислот со своими тРНК и точностью спаривания кодонов мРНК с антикодонами тРНК.

МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ И ХЛОРОПЛАСТНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КОДЫ

Помимо генетического кода, который содержится в ядерной ДНК, существует генетический код, содержащийся в ДНК митохондрий животных и человека, а также в ДНК хлоропластов растений. В митохондриях и хлоропластах помимо ДНК существуют и другие структуры, которые в совокупности с ДНК образуют самостоятельный аппарат синтеза белков. Размеры митохондриальных рибосом очень варьируют. В частности, размеры митохондриальных рибосом человека составляют 60 S.

Для митохондриального генетического кода характерны те же структуры и свойства и те же механизмы транскрипции и трансляции, что и в случае ядерного генетического кода. Однако известны и отличия. В митохондриальной ДНК все нуклеотиды входят в состав кодонов, кодирующих либо белки, либо рРНК и тРНК. Для трансляции используется только 22 тРНК (в отличие от 31 тРНК в ядерном коде и 30 тРНК в хлоропластном коде), причем отдельные молекулы тРНК могут узнавать любое основание, находящееся в кодоне в третьем положении. Митохондриальная ДНК человека и других млекопитающих содержит 64 кодона, из которых 4 являются стоп-кодонами.

Известно содержание антикодонов всех 22 тРНК Каждый антикодон в случае митохондриального генетического кода способен спариваться с несколькими кодонами мРНК. Например, антикодон УАГ спаривается с кодонами ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУТ, кодирующими лейцин. 22 антикодона тРНК спариваются с 60 кодонами иРНК. Установлено, что митохондриальные тРНК подвержены «редактированию» (модификации транспорта тРНК) путем полиаденилирования, в результате чего создаются антикодоны терминации.

Генетический код ДНК и белоксинтезирующий аппарат хлоропластов несколько отличны от кода и белоксинтезирующего аппарата митохондрий.

Прежде всего хлоропластный код кодирует намного больше белков по сравнению с митохондриальным кодом. Рибосомы хлоро-палстов сходны с рибосомами кишечной палочки, а синтез полипептидной цепи начинается с N-формилметионина (как и у бактерий).

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

Генетический код ядерной ДНК универсален, т. к. он одинаков у всех живых существ, т. е. у всех живых существ используются одинаковые наборы кодонов. Признание универсального характера генетического кода является выдающимся современным доказательством единства происхождения органических форм (см. главы XIV, XV и XVI).

С тех пор как были определены основные черты структуры генетического кода, стали формулировать также гипотезы относительно его эволюции, причем к настоящему времени известно несколько таких гипотез. В соответствии с одной гипотезой первоначальный код (в примитивной клетке) состоял из очень большого количества двусмысленных кодонов, что исключало правильную трансляцию генетической информации. Поэтому в процессе эволюции организмов развитие генетического кода шло по линии сокращения ошибок в трансляции, что привело к коду в его современном виде. Напротив, по другой гипотезе код возник в результате сведения до минимума летальных эффектов мутации в процессе эволюции, причем селективное давление вело к устранению бессмысленных кодонов и к ограничению частоты мутаций в кодонах, изменения которых не сопровождались изменениями в последовательности аминокислот, либо сопровождались заменами лишь одной аминокислоты на другую, но функционально связанную. Развившись в процессе эволюции, код однажды стал «замороженным», т. е. таким, каким мы видим его сейчас.

В соответствии с третьей гипотезой предполагают, что ранний архетиповой код был дуплетным, состоя из 16 кодонов-дуплетов. Каждый из 15 дуплетов кодировал каждую из 15 аминокислот, из которых, как предполагают, состояли белки примитивной клетки, тогда как оставшийся свободным 60-й дуплет обеспечивал свободное пространство («брешь») между генами. В связи с установлением каталитической способности РНК и высокой концентрации РНК в рибосомах предполагают, что в примитивных клетках молекулы тРНК сами катализировали свое связывание с аминокислотами, а роль рибосом выполняли первые рРНК. Триплетный код возник тогда, когда в процессе эволюции образовались остальные пять аминокислот, причем его возникновение связано с добавлением третьего основания в каждый кодон.

Предполагают, что современный генетический код является результатом длительной эволюции примитивного кода, кодировавшего лишь несколько аминокислот, притом только несколькими триплетами, составленными из азотистых оснований двух типов.

В последующем эволюция кода заключалась в уменьшении количества бессмысленных триплетов и увеличении количества смысловых. Это привело к тому, что большинство триплетов стало «читаться». Завершающая стадия в эволюции кода была связана с увеличением количества аминокислот, подверженных «опознанию» соответствующими нуклеотидами (триплетами), а также с синтезом клетками соответствующих тРНК и активирующих ферментов. Когда количество и структура белков стали такими, что уже ни одна новая аминокислота не могла улучшить селективные преимущества организмов, код «заморозился» в его современном виде.

Что касается митохондриального кода, то его считают более примитивным по сравнению с ядерным. Предполагают, что, например, антикодон УАА в современном митохондриальном коде мог быть также и антикодоном архетипового кода для кодонов, в которых первые два основания являются У, а третье могло быть У, Ц, А или Г. Но можно предполагать, что митохондриальный код возник в результате упрощения бактериального кода, если признать происхождение митохондрий от бактерий. Оценивая особенности белкового синтеза, контролируемого митохондриальным генетическим кодом в сравнении о хлоропластным, остается неясным, почему хло-ропластный генетический код кодирует намного больше белков по сравнению с митохондриальным генетическим кодом.

Как видно, современные взгляды на происхождение и эволюцию генетического кода весьма противоречивы, ибо пока нет еще экспериментальных данных, которые можно было бы использовать для достаточного обоснования той или иной гипотезы.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

Что понимают под генетическим контролем экспрессии или регуляции действия генов? Это понятие означает, что экспрессия гена или набора генов может избирательно увеличиваться или уменьшаться (индуцироваться или репрессироваться) селективно. Регулирующее действие осуществляют белки, которые могут вмешиваться в транскрипцию. На экспрессию оказывает влияние изменение уровня АТФ, но это соединение не является результатом.

Сведения о регуляторных механизмах экспрессии генов по большей части получены в результате изучения образцов контроля активности генов, распространяемых на последовательность реакции в биосинтезе микроорганизмами белков, на гены фага лямбда, 5 S-гены Xenopus, гены, обеспечивающие скрещивание дрожжей, и гены, вовлеченные в контроль развития эукариотов. Сравнение механизмов, контролирующих действие генов у разных организмов, показывают чрезвычайное разнообразие в этих механизмах. В этом убеждает рассмотрение наиболее изученных систем. В применении к бактериям известно два механизма, один из которых контролирует активность ферментов, тогда как второй -- синтез ферментов (синтез специфических белков). Сущность контроля (регуляции) активности ферментов иллюстрируется примером биосинтеза изолейцина, ранним предшественником которого является треонин и превращение которого в изолейцин осуществляется в результате пяти последовательных реакций с участием ферментов. Если к культуре бактерий, обладающих самостоятельной способностью синтезировать аминокислоты, в том числе изолейцин, прибавить изолейцин, то это приводит к прекращению клетками синтеза данной аминокислоты. Ростовые потребности клеток в это время обеспечиваются лишь экзогенным изолейцином. Механизм этого явления заключается в ингибировании (подавлении) активности фермента, катализирующего превращение треонина в последующий предшественник изолейцина. Синтез восстанавливается лишь тогда, когда экзогенный изолейцин истощается в среде.

Уникальность этого явления связана с тем, что ингибитор (конечный продукт) и нормальный субстрат имеют различную структуру и не конкурируют за один и тот же сайт связывания на ферменте. Можно сказать, что фермент несет два сайта связывания, один из которых специфичен для субстрата, другой -- для ингибитора. Нормально субстрат прикрепляется к активному сайту фермента. Однако если к этому специфическому сайту прикрепляется ингибитор, то наступает структурное превращение (транзиция) в ферменте, вследствие чего нормальный субстрат больше не прикрепляется, что блокирует активность фермента, катализирующего конец биосинтеза либо одну из его стадий. Это явление получило название аллостерической транзиции

В основе аллостерического взаимодействия лежит любое измерение в активности фермента, вызываемое избирательным связыванием на втором сайте фермента, причем этот сайт не перекрывает сайта на ферменте для связывания субстрата. Фермент, по существу, становится химическим трансдуктором, позволяющим взаимодействие между двумя молекулами -- ингибитором и субстратом, которое другим способом исключено. Определенные ферменты чувствительны к активированию при соединении их с эф- фекторной молекулой, отличной от каталитического субстрата. Кроме того, определенные ферменты чувствительны к активированию одним метаболитом и подавлению другим. Поскольку возможны мутации, которые могут поражать один ингибиторный сайт, не затрагивая другого, фенотипически они проявляются в резистентности клеток к ингибированию конечным продуктом и в выработке ими больших количеств конечного продукта. Таким образом, аллостерическая транзиция обеспечивает исключительно гибкую систему регуляции активности ферментов

Синтез ферментов регулируется с помощью индукции и репрессии ферментов, заключающихся в стимуляции или подавлении синтеза специфических ферментов как ответной реакции на добавление в среду компонента, повышающего концентрацию эффектора в клетке.

Примером индукции ферментов является случай с ферментами бактерий, обеспечивающих утилизацию лактозы. Бактерии приобретают способность сбраживать лактозу после некоторого культивирования в присутствии этого углевода. Это определяется синтезом ими -галактозидазы, которая расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу, а также -галактозидпермеазы и -галактозидтранс-цетилазы, обеспечивающих проникновение субстрата в клетку и ацетилирование некоторых токсических галактозидов в направлении их детоксификации (соответственно). Следовательно, лактоза индуцирует синтез ферментов, причем этот синтез является координированным.

Примером репрессии ферментов может служить синтез трипто-фана, который образуется из антраниловой кислоты с участием ант-ранилатсинтетазы. Если бактерии посеять в среду, в которой в качестве источника азота и углерода содержатся NH4Cl и глюкоза, соответственно, то они очень хорошо растут и самостоятельно синтезируют триптофан (как и другие аминокислоты). Но если в среду добавить экзогенный триптофан, то бактерии перестают синтезировать эту аминокислоту. Важно заметить, что добавление триптофана останавливает синтез всех ферментов, участвующих в его биосинтезе. Таким образом, конечный продукт подавляет весь биосинтез.

Опираясь на данные об индукции и репрессии белков, французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно (1961) сформулировали модель генетического контроля синтеза белков, компонентами которой являются гены структуры, регуляции и операторные гены, а также цитоплазматический репрессор. По этой модели молекулярная структура белков определяется генами структуры, первичным продуктом которых является мРНК. Синтез мРНК может быть начат лишь на определенном пункте цепи ДНК (операторе), от которого может зависеть и транскрипция нескольких сцепленных структурных генов. Группа генов, транскрипционная активность которых координируется одиночным оператором, представляет собой опе-рон, являющийся единицей первичной транскрипции и единицей координированной экспрессии генов. Таким образом, бактериальные опероны транскрибируются в полицистронные мРНК. Существуют также гены-регуляторы. Под контролем того или иного гена-регулятора продуцируется цитоплазматический фактор-репрессор, который обладает реверсивной способностью связываться со специфическим оператором. Благодаря этому связыванию комбинация репрессора и оператора блокирует начало транскрипции всего оперона (формирование мРНК), контролируемой оператором и, следовательно, предотвращает синтез белков, управляемый структурными генами, принадлежащими оперону.

Репрессор обладает свойством специфически связываться (реагировать) с малыми молекулами (эффекторами). В случае индуцированных ферментных систем репрессор связывается с оператором и блокирует транскрипцию олерона. Присутствие эффектора (индуктора) связывает (инактивирует) репрессор, и это приводит к тому, что происходит транскрипция и трансляция генов оперона. Другими словами, репрессор, соединенный с эффектором, теряет родство к оператору и не связывается с ним, а это сопровождается активацией оперона. В случае репрессибельных ферментов репрессор сам по себе является неактивным, т. е. не имеет родства к оператору и не блокирует транскрипцию оперона. Он активируется лишь в результате комбинации (соединения) с конечным продуктом в биосинтезе, в результате чего блокирует транскрипцию оперона. Следовательно, транскрипция оперона происходит в отсутствие эффектора (конечного продукта), тогда как присутствие эффектора сопровождается ингибированием оперона.

Регуляторные механизмы в случае индуцибельных и репрессибельных систем имеют негативный характер, т. к. подавляют синтез специфических белков. Регуляторный механизм оперирует на генетическом уровне, контролируя частоту синтеза мРНК. Опероны классифицируют на катаболизирующие (индуцибельные) и синтезирующие (репрессибельные).

Примером катаболизирующих оперонов является лактозный оперон в состав которого входят структурные гены z, у и, кодирующие -галактозидазу, -пермеазу и -трансацетилазу, соответственно, ген-регулятор lac 1, кодирующий синтез репрессоpa (белок мм. 37 200, состоящий из четырех идентичных единиц, содержащих по 377 аминокислотных остатков), промоторы P2 и Р1, к которым присоединяется РНК-полимераза, и ген-оператор (О), управляющий функционированием структурных генов.

Механизм регуляции лактозного оперона заключается в том, что в отсутствие индуктора (лактозы) репрессор активен, т. е. продукт гена lac 1 связан с оператором O1 в соединении с двумя другими операторами (О2 и О3) и это блокирует транскрипцию полигенной мРНК, т. е. предупреждает движение РНК-полимеразы с промотора. Операторы О2 и О3, которых часто называют псевдооператорами, повышают связывание репрессора с оператором О1. Промотор P1 частично перекрывается вторым промотором P2, который в нормальных условиях не имеет существенного значения. РНК-полимераза может подходить к обоим промоторам, но основным все же является промотор Р1, поскольку движение РНК-полимеразы к промотору P2 ингибируется белком CRP, который при этом стимулирует транскрипцию с промотора P1. При наличии в среде индуктора репрессор теряет активность, т. е. связывается с индуктором, вследствие чего оператор становится свободным (деблокируется), и в результате движения РНК-полимеразы происходит транскрипция мРНК. При наличии в среде лактозы синтез ферментов увеличивается в 1000 раз. Инициация транскрипций требует наличия циклического АМФ и белка сгр. Следовательно, лактозный оперон контролируется негативно путем контроля частоты синтеза мРНК

Однако возможна и позитивная регуляция лактозного оперона. Если вслед за индуктором в среду, где выращены бактерии, прибавить глюкозу, то наступает катаболитная репрессия (3-галак-тозидазы, сопровождающаяся снижением уровня цАМФ. Если же в культуру прибавить экзогенный цАМФ, то катаболитическая репрессия снимается и лактозный оперон будет функционировать нормально. Таким образом, цАМФ является позитивным регулятором (регуляция происходит в присутствии индуктора).

Примером биосинтезирующего оперона является триптофановый оперон, который состоит из 5 генов trpE, D, С, В и А, кодирующих ферменты, участвующие в биосинтезе триптофана Первая химическая реакция, характерная для синтеза триптофана (как и для тирозина и фенилаланина), заключается в конденсации (накоплении) эритрозы-4-Ф и фосфоенолпирувата, необходимых для образования З-дезокси-арабино-гептулозоната-7-Ф (ДДГФ), катализируемого ДАГФ-синтетазой. Образующийся продукт (хоризмат) с помощью ферментов превращается в триптофан. Экспрессия этого оперона находится под негативным контролем репрессора, являющегося продуктом гена trp R. Репрессия конечным продуктом (трип-тофаном) заключается в том, что неактивный в свободном состоянии репрессор не мешает переходу РНК-полимеразы к промотору, т. е. не мешает транскрипции мРНК. Репрессор становится активным в результате связывания с конечным продуктом (триптофаном). Когда комплекс репрессор + триптофан связывает оператор, то это предупреждает преход РНК-полимеразы к промоторам, т. е. подавляет синтез мРНК. Более тонкий механизм заключается в том, что продукт гена trp R (репрессор) ингибирует синтез одной из ДАГФ-синтетаз, в частности, синтетазу АгоН, путем ингибирования ее мРНК, а следовательно, ингибирует и мРНК всего гистидинового оперона.

То, что существуют различные пути регуляции генов, подтверждается данными о регуляции оперона ara BAD, который ответственен за метаболизм арабинозы, встречающейся обычно в стенках клеток растений, а у микроорганизмов -- являющейся одним из источников углерода и энергии. Арабиноза попадает в организм животных или человека с растительной пищей, где она метаболи-зируется микроорганизмами. Однако прежде она должна поступить в бактерии. Это поступление арабинозы в бактериальные клетки, т. е. транспорт арабинозы обеспечивается двумя независимыми системами, представляющими собой продукты генов ara Е и ara FG

Система ara Е обладает низким родством к арабинозе, поэтому она используется лишь при очень высоких концентрациях этого углевода, тогда как система ara FG, обладающая высоким родством к арабинозе, используется при очень низких концентрациях углевода (порядка 10-7 М).

Гены, кодирующие ферменты, которые необходимы для катаболизма арабинозы. Катаболизм арабинозы начинается с того, что она вначале конвертируется синтезируемая под контролем гена ara, А арабинозной изомеразой в L-рибулозу. Затем рибулоза фосфорилируется рибулозокиназой, являющейся продуктом гена ara В в L-рибулозу-б-фосфат. В свою очередь рибулозо-фосфат конвертируется в П-ксилозу-б-фосфат с помощью рибулозо-фосфатэпимеразы, являющейся продуктом гена ara D. Важно отметить, что гены транспортной системы, а также дополнительный арабинозоиндуцируемый ген и гены метаболизма арабинозы локализованы в разных районах хромосомной карты Е. coil. Все эти наборы генов регулируются позитивно арабинозой.

Репрессия метаболических и транспортных генов в ага-опероне осуществляется продуктом (белком) гена ara С. Этот белок является позитивным регулятором. В то же время белок гена ага С может и репрессировать экспрессию этих генов. Таким образом, этот белок существует в двух состояниях -- индуцирующем и репрессирующем, индуцируя или репрессируя инициацию транскрипции (начало синтеза мРНК) арабинозного оперона. Индуцирующим свойством белок ага С обладает в присутствии арабинозы, позитивно действуя на один сайт, репрессирующим -- в отсутствие этого углевода, действуя негативно на другой сайт.

Индукция арабинозного оперона происходит в присутствии цАМФ и белка CRP, являющегося рецептором для цАМФ. Главная роль этого белка заключается в позволении индукции арабинозного оперона только в отсутствие глюкозы. Это получило название катаболитной репрессии.

Опероноподобная организация генетического контроля действия генов показана у фага лямбда, вируса иммунодефицита человека и многих других микроорганизмов.

Считают, что в геноме эукариотических клеток содержится 10 000−50 000 генов-регуляторов. Регулирующие белки, синтезируемые под контролем этих генов, связываются со специфическими последовательностями ДНК вблизи регулируемых генов.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой