Учебное пособие Якупов Т. Р. Молекулярная биотехнология Биоинженерия Казань 2016



страница2/7
Дата02.06.2018
Размер4,31 Mb.
1   2   3   4   5   6   7

| | |

азотистое азотистое азотистое

основание основание основание

Рис. 1. Схема строения цепи нуклеиновой кислоты.



Остаток фосфорной кислоты с одного конца цепи связывается с 5, с другого – с 3 углеродом пентозы. В зависимости от этого различают -5/ конец и -3/ конец полинуклеотидной цепи.

Две цепи ДНК всегда обращены друг другу своими азотистыми основаниями. В такой структуре оказываются точно пригнанными друг другу только определенные пары азотистых оснований. Таковыми являются А-Т и Г-Ц пары. Они дополняют друг друга, они связаны между собой водородными связями, они – комплиментарны. В этом суть принципа комплиментарности.

Принцип комплиментарности азотистых оснований является основным «биологическим законом» обеспечивающим хранение, передачу и реализацию генетической информации, обуславливая тем самым жизнедеятельность и индивидуальность живых организмов.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) принимают участие в процессе реализации наследственной информации - в биосинтезе белков. Различают несколько видов РНК - информационную, рибосомальную и транспортную и др. Рибонуклеиновые кислоты также могут исполнять роль носителя генетической информации, например, у РНК-содержащих вирусов.

Структурная организация нуклеиновых кислот

Различают первичную, вторичную и третичную структуру ДНК.

Первичная структура ДНК - последовательность нуклеотидов, образуется благодаря сложноэфирной связи, возникающей между остатком фосфорной кислоты у одного мононуклеотида и с 3'углеродом дезоксирибозы другого мононуклеотида.

Рис 2. Схема строения цепи молекулы ДНК



Вторичная структура ДНК - спирализация полинуклеотидной цепи, вернее двух цепей образуя двойную спираль. Выяснение вторичной структуры ДНК - это одно из крупнейших открытий в биологии, так как при этом был раскрыт молекулярный механизм передачи генетической информации в ряду поколений. Модель вторичной структуры ДНК бы­ла пред­ло­же­на в 1953 г. Дж. Уот­со­ном и Ф. Кри­ком на ос­но­ва­нии дан­ных рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за. При этом бы­ло также ус­та­нов­ле­но, что ДНК склон­на к по­ли­мор­физ­му и в раз­лич­ных ус­ло­ви­ях су­ще­ст­ву­ет в ви­де по-раз­но­му упо­ря­до­чен­ных во­лок­ни­сто-кри­стал­ли­че­ских струк­тур. Их су­ще­ст­ву­ет бо­лее де­сят­ка, но наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны и изу­че­ны ме­то­дом рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за толь­ко че­ты­ре: А-, В-, С- и Т-фор­мы. Все они яв­ля­ют­ся пра­во­зак­ру­чен­ны­ми спи­ра­ля­ми. Су­ще­ст­во­ва­ние та­ко­го ко­ли­че­ст­ва вто­рич­ных струк­тур ДНК обу­слов­ле­но тем, что в ка­ж­дый мо­мент сво­его су­ще­ст­во­ва­ния ДНК об­ра­зу­ет наи­бо­лее удоб­ных для вы­пол­няе­мых ею функ­ций кон­фи­гу­ра­ции:

– А-фор­ма мо­ле­кул наи­бо­лее удоб­на для про­цес­са транс­крип­ции;

– В-фор­ма – для ре­п­ли­ка­ци­он­ных про­цес­сов;

– С-фор­ма – для об­ра­зо­ва­ния комплексов между мо­ле­ку­лой ДНК и бел­ка­ми хро­ма­ти­на.

В 70-х го­дах XX ве­ка бы­ли по­лу­че­ны дан­ные о су­ще­ст­во­ва­нии двух но­вых кон­фор­ма­ций вто­рич­ной струк­ту­ры ДНК – Z-фор­мы и SBS-кон­фор­ма­ции. Z-фор­ма пред­став­ле­на ле­во­зак­ру­чен­ны­ми по­ли­­нук­ле­о­тид­ны­ми це­пя­ми с зиг­за­го­об­раз­ным рас­по­ло­же­ни­ем фос­фат­ных групп. В Z-фор­ме ДНК уча­ст­ву­ет в раз­лич­ных ме­та­бо­ли­че­ских про­цес­сах. SBS-кон­фор­ма­ция ДНК ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­сут­ст­ви­ем взаи­мо­за­кру­чен­ных по­ли­­нук­ле­о­тид­ных це­пей в бис­пи­раль­ную мо­ле­ку­лу. Они рас­по­ла­га­ют­ся бок о бок, очень лег­ко рас­па­ри­ва­ют­ся, рас­хо­дят­ся, что иг­ра­ет боль­шую роль при био­син­те­зе ДНК.

Третичной структурой ДНК можно представить организацию её молекулы в хроматиновые волокна в ядрах клеток тканей организма. Молекула ДНК является очень длинной, поэтому в ядре плотно «упакована» путем сверхспирализации с участием белков основного характера. ДНК клетки в основном находится в составе хромосом и лишь небольшая часть ее находится в митохондриях. Суммарный материал хромосом - хроматин - содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки и небольшое количество РНК.

Основой генетического аппарата эукариот являются хромосомы, в основе которых лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Известно 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрах эритроцитов птиц Н1 частично замещается на Н5. У дрожжей отсутствует Н1, а у некоторых видов хламидомонад гистоны вообще не обнаружены. Гистоны Н2 – Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречаются 3 – 6 вариантов этого белка.



Гистоны Н2 – Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 п.н., образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы – это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 10 - 15 п.н. называются связывающими (линкерами). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1.

Рис. 3 Упаковка ДНК в хромосоме

Последовательность нуклеосом, в свою очередь, образует еще одну спираль диаметром 20 - 25 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок – нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Конденсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз.

В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.

Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость. При транскрипции и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой.

В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядоченной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклеосома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации — декомпактизации.



Рис.4 Изображение человеческих хромосом (кариограмма)

Генетическая информация каждого человека сохраняется в 23 парах хромосом, которые отличаются и размерами и формой. Хромосома 1 - самая большая, ее размер более чем в три раза больше, чем размер 22 хромосомы. Двадцать третья пара хромосом - это две специальные хромосомы - X и Y, которые определяют наш пол (половые хромосомы).

 В центре каждой хромосомы содержится - центромера, небольшой участок, который делит хромосому на две части, образуя при этом длинное плечо (q) и короткое плечо (р).

При детальном исследовании хромосом, используя метод окраски специальными красителями, обнаруживается уникальная полосатая структура каждой хромосомы. Если каждой полоске присвоить номер, то можно определить (локализировать) конкретную часть хромосомы (локус). Метод изучения генома, при котором положение данного гена определяется размещением его на конкретной полосе хромосомы, называется цитогенетическим картированием. Например, ген β-гемоглобина (HBB) размещен на хромосоме 11p15.4. Это означает, что ген HBB расположен на коротком плече (р) хромосомы 11 и находится на 4 полосе 15 участка этой хромосомы.

Структура гена. Особенности генома эукариот

Ген – участок ДНК, несущий информацию о строении одного полипептида или одной РНК.

В последние годы произошло некоторое уточнение и теперь считается, что ген - ассоциированный с регуляторными последовательностями фрагмент молекулы ДНК, соответствующий единице транскрипции на хромосоме.

Гены человека, как и других высших организмов, включают экзоны и интроны. В то время как экзоны содержат кодирующие последовательности гена, функции итронов остаются не до конца выясненными, а они, как правило, составляют основную часть гена.



Рис.5. Модель общей структуры гена человека



С момента открытия в 1988 г. стало известно несколько важных функций интронов:

- наличие интронов открывает возможность альтернативного сплайсинга, благодаря которому один ген может кодировать несколько различных белков; 

- некоторые интроны содержат энхансеры и способны активно регулировать экспрессию генов, которым они принадлежат; 

- транскрибированные интроны способны участвовать в организации процессов авторегуляции синтеза белка путем нарушения созревания пре-мРНК, а следовательно экспорт и трансляцию.

На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, эволюционно консервативная последовательность, которая распознается ферментами сплайсинга, т.е. ферментами для вырезания интронов из первичного транскрипта мРНК. На 3'-конце гена уже в некодирующей части расположен сайт, обеспечивающий добавление 100 - 200 остатков аденина к мРНК для обеспечения ее стабильности.

Для каждого гена характерна так называемая открытая рамка считывания, т.е. наличие последовательности триплетов, кодирующих аминокислоты, неперебиваемые стоп-кодонами или бессмысленными триплетами.

У эукариот около 5% ДНК составляют экзоны, 25% – интроны, а остальные 70% составляют спейсеры – нетранскрибируемые участки ДНК между генами. К ним относятся участки:

- принимающие участие в компактизации ДНК;

- принимающие участие в укладке хроматина в интерфазном ядре, в том числе прикрепляющие ДНК к ядерной оболочке изнутри;

- центромеры – участки, к которым прикрепляются нити веретена деления;

- теломеры – концевые участки хромосом, выполняющие защитную роль;

- промоторы, операторы, энхансеры и терминатор.

Главная количественная особенность генетического материала эукариот – наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Например, у человека насчитывают приблизительно 30 тысяч генов. В то же время размер генома человека 3×109 п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15-20 % от тотальной ДНК. Существует значительное число видов, геном которых в десятки раз больше генома человека, например некоторые рыбы, амфибии и др. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот.

В конце 60-х годов работами американских ученых Р. Бриттена, Э. Дэвидсона и др. была открыта фундаментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот – повторяемость нуклеотидных последовательностей, которые условно подразделяются на несколько видов:

1. Уникальные повторы - последовательности, представленные в одном экземпляре или немногими копиями.

2. Низкочастотные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз.

3. Промежуточные, или среднечастотные повторы – последовательности, повторяющиеся сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК, тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов.

4. Высокочастотные повторы, число которых достигает до 10 миллионов на геном. Это короткие (~ 10 п.н.) некодирующие последовательности нуклеотидов – сателлитная ДНК.

Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу.

Функции большинства повторяющихся и уникальных последовательностей пока не определены. Еще в 30-х годах было показано, что в генетическом отношении эти районы инертны, т. е. не содержат генов. В действительности столь малые последовательности, составляющие сателлитную ДНК, не могут кодировать ничего, кроме олигопептидов. Следует отметить, что эта фракция у огромного большинства видов занимает не более 10% генома. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют совершенно различные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ - богатый сателлит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования. Таким образом, в высокочастотных последовательностях ДНК, в их качественном и количественном составе отражается тождество молекулярной организации и генетических свойств хромосомной ДНК эукариот.



Реализация генетической информации в клетке

Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК → РНК → белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации, обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, когда вирусная РНК, проникшая в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплиментарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). Следовательно, генетическая информация осуществляется по схеме РНК → ДНК → РНК → белок.

Первым этапом общего переноса генетической информации является транскрипция, которую можно приставить как процесс биосинтеза молекул иРНК (мРНК) по принципу комплиментарности на основе отдельного гена.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. Процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Следовательно, образовавшаяся при этом молекула мРНК отражает структуру всего мозаичного гена. Её называют проматричная РНК (про-мРНК), которая затем претерпевает процесс созревания (процессинг мРНК).



Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его участков соответствующих интронам и воссоединением (сплайсингом) участков комплементарных экзонам, формируя, таким образом, непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК. Во время процессинга происходит также модификация 5'-и 3'-концов формирующейся молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах процессинга гена β-глобина человека.

Рис.6. Процессинг мРНК β-глобинового гена человека

Энхансеры представляют собой протяженные последовательности нуклеотидов, которые содержат сайты связывания нескольких факторов транскрипции. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Характерными свойствами энхансера являются его способность осуществлять регуляторное действие на промотор на больших расстояниях от него и вне зависимости от ориентации по отношению к направлению транскрипции гена.

Кэп (от англ, cap-колпачок, шапочка) - представляет собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду с помощью 3/ фосфатной связи. Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Со стороны 3' конца мРНК имеется полиадениловый (поли А) «хвост», состоящий из 100-200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Предполагается, что поли А «хвост» обеспечивает транспорт мРНК к рибо-соме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам при этом постепенно разрушается ферментами цитоплазмы.

Следующим этапом реализации генетической информации является трансляция, суть которой заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК.

Трансляцию можно представить как процесс перевода «нуклеотидного языка» иРНК на «аминокислотный язык» полипептидной цепи молекулы белка. Происходит данный процесс благодаря тому, что в нуклеотидной последовательности мРНК имеются кодовые «слова» для каждой аминокислоты – генетический код. Каждое последовательное тройное сочетание нуклеотидов кодирует одну аминокислоту – кодон. Генетический код состоит из 64 кодонов.

Как и транскрипция, процесс трансляции условно подразделяется на три основные стадии — инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции обеспечивается соединением молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы и формированием инициирующего комплекса. Процесс элонгации непосредственно связан с большой субъединицей рибосом, которая имеет специфические участки (центры) – А (аминокислотный), Р (пептидильный) и начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5'→ 3', что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), а также от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в А-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и формирование уровней структурной организации и др.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница