Синтез білка і генетичний код
Реплікація ДНК. У бактерій, так само як і у вищих організмів, носи телем генетичної інформації служить ДНК. Розглядаючи структуру клітини, ми вже говорили про те, що бактеріальна ДНК являє собою подвійну спіраль, замкнуту в кільце. Відразу ж виникає під прос: як зберігається спадкова інформація при зростанні і размно жении клітин? Перед їх розподілом відбувається ідентична редупликация, або реплікація, генів. Цей процес можна задовільно пояснити його нитка, виходячи з моделі структури ДНК, запропонованої Уотсоном і Криком, і з механізму подвоєння ДНК, тепер уже відомого. Дві ланцюга подвійної спіралі ДНК комплементарні один одному. На кожному ланцюзі із структурних елементів ДНК-дезоксірібонукле-озідтріфосфатов-синтезується нова ланцюг; при цьому з кожним з ос нований злучається комплементарное йому підставу, так що кожна з двох нових ланцюгів знову-таки буде комплементарна батьківської ланцюга. Обидві нові подвійні спіралі складаються з однієї батьківської і однієї знову синтезованою ланцюга. Ця точна реплікація ДНК га рантірует збереження генетичної інформації.
Транскрипція ДНК. Виникає ще одне питання: яким чином з тримається в генах інформація визначає специфічну активність і інші властивості ферментів і як вона перетворюється в амінокислот ву послідовність ферментного білка? ДНК, будучи носієм спадкової інформації, проте сама не служить матрицею для синтезу поліпептидів. Біосинтез білків відбувається на рибосомах, які безпосередньо з ДНК не стикаються. Передачу записаний ної в ДНК інформації до місць синтезу білка здійснює матрична, або інформаційна, рибонуклеїнова кислота (мРНК). Вона зі варто з одного ланцюга і дуже нагадує одиночну ланцюг ДНК з тією відмінністю, що тимін (Т) ДНК в РНК замінений урацілом (U). мРНК син тезіруется на одному з ланцюжків ДНК, причому механізм цього процесу схожий з механізмом реплікації ДНК. Освіта мРНК починається на 5'-ОН-кінці, і по послідовності підстав її ланцюг комплемен Тарна ланцюга ДНК. Таким чином, при синтезі мРНК просто копіюється нуклеотидних послідовність ДНК. Цей процес називають тран Скрипці та протиставляють його трансляції - перекладу нуклеотидної послідовності в послідовність амінокислот:
Генетичний код. Кожен ген представлений певною ділянкою молекули ДНК. Специфічна інформація, що міститься в гені, визначається послідовністю підстав в ланцюзі ДНК. «Алфавіт», за допомогою якого записана ця інформація ДНК. включає чотири
«Букви» -підстави аденін (А), гуанін (G), тимін (Т) і цитозин (С). В мРНК тимін замінений урацілом (U).
Специфічність ферментних білків, синтез яких контролюють гени, визначається послідовністю амінокислот в поліпеп тідних ланцюгах. Ця ж послідовність визначає і пространствен ву структуру білка, так звану конформацию (вторинну, тре тичних і четвертинних структуру).
Для перекладу з мови нуклеїнових кислот на мову амінокислот слу жит специфічний код. Кожна амінокислота визначається групою з трьох сусідніх нуклеотидів - кодоном, або кодовому. Та чи інша по Отже триплетів в нуклеїнової кислоти однозначно визна ляє послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі; послід ня, таким чином, являє собою Колінеарність відображення нуклеїнової кислоти. У триплетах можливі 64 різні комбінації нуклеотидів (табл. 15.1). Якби кожна з 20 амінокислот Кодирова лась лише одним-єдиним кодоном, то 44 можливі комбіна ції залишилися б невикористаними. Але виявилося, що багато аміно кислоти кодуються двома або більшою кількістю різних триплетів. Деякі триплети мають особливий сенс-вони означають «початок» або «кінець» поліпептидного ланцюга. Триплети зчитуються як 1, 2, 3; 1, 2, 3 і т.д. від початку молекули мРНК.
Трансляція мРНК: синтез білка. Амінокислоти з'єднуються в полі пептидних ланцюг в порядку, визначеному триплету мРНК. У цьому процесі беруть участь мРНК, транспортні РНК (тРНК). рибосоми, ряд ферментів, АТР і інші фактори. Спочатку амінокислоти за участю АТР активуються з утворенням аміноацил-АМР:
Амінокислота + АТР -> Аминоацил-АМР + РР;
Від AMP аміноацільная група переноситься на кінцевий нуклеотид тРНК. Активація і приєднання амінокислоти до відповідної тРНК здійснюються за допомогою специфічного ферменту-аміно-ацил-тРНК-синтетази, яка розпізнає, з .Однією боку, аміно кислоту, а з іншого - відповідну тРНК. Є 20 різних аміноацил-тРНК-синтетаз, по одній для кожної амінокислоти. Як уже згадувалося, деяким амінокислотам відповідає не один, а кілька кодонів (тобто генетичний код, як кажуть, «ви народжений»); для кожної з таких амінокислот є кілька тРНК. Різні тРНК, призначені для однієї і тієї ж аміно кислоти, називають також ізоакцепторнимі тРНК. Таким чином, зі ответствующая синтетаза може приєднувати амінокислоту до неяк ким ізоакцепторним тРНК. У молекулі тРНК є ділянка, комплементарний кодону мРНК (антикодон). З'єднання амінокислот відбувається на рибосомах (рис. 15.1). Рибосома переміщується вздовж мРНК. починаючи з 5'-ОН-кінця, і при кожному її русі на один триплет чергова амінокислота встановлюється транспортної тРНК в потрібне положення і приєднується своєї аминогруппой до карбок сильній групі попередньої амінокислоти (утворюється пептидний зв'язок). Так зростає поліпептидний ланцюг у міру просування рибосоми уздовж мРНК. Мабуть, одночасно відбувається закручування цьому ланцюзі і згортання її в клубок, яке визначається послідовник ністю амінокислот і природою їх бічних ланцюгів (гідрофобні і гід рофільние групи), і в результаті виникає структура, обумовлює значну вающая специфічні властивості і функцію даного білка. До мРНК зазвичай прикріплюється кілька рибосом, так що на одній і тій же матриці одночасно синтезується кілька поліпептидних ланцюгів. Такий комплекс однієї мРНК з рибосомами називають полисомой. На кінці мРНК знаходиться кодон, від якого залежить відділення сформи рова поліпептидного ланцюга від рибосоми (UAA, UAG або UGA). Таким чином, нуклеотидная послідовність ДНК представ ляє собою закодовану «інструкцію», що визначає (при посеред-стве мРНК) структуру специфічного білка. Подання про передачу інформації від ДНК через РНК на білок називають «центральної до гмой» молекулярної біології. Таким шляхом відбувається перенос ін-формації у всіх організмів, у яких генетичним матеріалом слу жит ДНК. Цей універсальний процес передачі інформації при реплікації ДНК, транскрипції і трансляції представлений на наведений-ної вище схемою червоними стрілками. Ця схема може бути застосована до еукаріотів, прокаріотів і ДНК-вірусів.
Серед РНК-вірусів є такі, у яких РНК реплицируется прямо на матриці РНК. Однак у деяких онкогенних (опухолеродних) РНК-вірусів спочатку відбувається синтез ДНК, контрольований РНК, тобто РНК служить ма тріцей для синтезу ДНК. Таким чином, інформація, що міститься в вірус ної РНК, передається на ДНК шляхом зворотної транскрипції (за допомогою фер менту зворотної транскриптази; см. Згадану вище схему). Цей фермент можна виділити з клітин пухлин, що викликаються РНК-вірусами. Він знаходить застосування в генній інженерії. Якщо, наприклад, в якості але носія інформації виділяють НЕ фрагмент ДНК, а відповідну мРНК, то остання повинна бути «переписана» в ДНК, яка і вбудовується в плазми-ду. За допомогою зворотної транскриптази вдається отримати потрібну ДНК in vitro.
У прокаріотів зворотна транскрипція не знайдено.