 |
Названия аминокислот и их краткое обозначение
|
|
|
|
Нейтральные
Неполярные Полярные
Основные (+)
Кислотные (-)
Триптофан (Тrр)
Фенилаланин (Phe)
Глицин (Gly)
Аланин (Ala)
Валин (Val)
Изолейцин (Ilе)
Лейцин (Leu)
Метионин (Met)
Пролин (Pro)
Тирозин (Туr)
Серин (Ser)
Треонин (Thr)
Аспарагин
(Asn)
Глутамин
(Gln)
Цистеин (Cys)
Лизин (Lys)
Аргинин (Arg)
Гистидин
(His)
Глутаминовая
кислота (Glu)
Аспарагиновая
кислота (Asp)
ки полипептидов (белков) со скоростью примерно 100 аминокислот в
секунду. В среднем белки содержат 100-1000 аминокислот, и от того,
какова последовательность аминокислот в этих длинных цепях, зави-
сят структура и функция данного белка. Любая аминокислота одина-
ково хорошо соединяется с любой другой (в том числе и с такой же);
при этом взаимодействуют между собой одинаковые у всех аминокис-
лот группы атомов NH2 и СООН. Благодаря этой способности амино-
кислот могут образовываться длиннейшие цепи.
Как же осуществляется синтез белков? Оказывается, что для опи-
сания строения конкретного белка достаточно указать последователь-
ность аминокислот: какая из них занимает первое место, какая —
второе, третье и т.д. Например, строение белка инсулина таково:
аланин — лизин — пролин —... — лейцин — аланин...
Последовательность нуклеотидов в ДНК, а затем и в мРНК опре-
деляет, какой должна быть последовательность аминокислот, т.е. ка-
ким будет строение данного белка. Одна цепь ДНК содержит инфор-
мацию о химическом строении значительного числа различных бел-
ков. Таким образом, последовательность оснований мРНК кодирует
последовательность аминокислот. Сведения о строении белков — это
«зерно» информации, передаваемой потомкам из поколения в поко-
ление; кодирование аминокислот нуклеотидами и называется коди-
|
|
|
рованием наследственной информации.
Всего существует 64 возможных тройки нуклеотидов (43= 64), ко-
дирующих 20 аминокислот. Некоторые из нуклеотидных комбинаций
играют роль «дорожных знаков», регулирующих синтез белка (напри-
7-1432 97
Рис. 4.4. Трансляция мРНК (синтез белка).
1-4 — кодоны: метионина, лейцина, валина, тирозина; тРНК: 5 — отделилась от
аминокислоты (лейцина), присоединив ее к белковой цепи; б — молекула тРНК,
несущая валин, готова присоединить его к растущей белковой цепи; 7 — молекула
тРНК, несущая тирозин, подходит к мРНК, определяя кодом тирозина.
мер, кодируя стоп-сигнал — сигнал окончания транскрибированной
последовательности). При этом излишние комбинации нуклеотидов
могут либо вообще не использоваться при кодировании наследствен-
ной информации, либо служить дополнительными (синонимически-
ми) способами записи тех же самых аминокислот.
«Сборка» молекулы белка из аминокислот обеспечивается весьма
сложным механизмом, главным образом в рибосомах — особых орга-
неллах клетки, находящихся в цитоплазме. Рибосомы примерно напо-
ловину состоят из рибонуклеиновой кислоты (отсюда и их название).
Напомним, что в процессе транскрипции формируется мРНК,
которая комплементарна определенному участку ДНК. В ходе трансля-
ции нуклеотидная последовательность мРНК выступает как основа,
матрица для синтеза белка. «Считывание» последовательности мРНК
происходит группами по 3 нуклеотида. Каждая аминокислота соответ-
ствует определенному сочетанию трех оснований — так называемому
триплету (отсюда — триплетный код), или кодону.
«Сырье» (аминокислоты), необходимое для синтеза белка, нахо-
дится в цитоплазме. Доставка аминокислот к рибосомам (рис. 4.4) про-
изводится с помощью сравнительно небольших специальных молекул
транспортной РНК (тРНК). Небольшими эти молекулы, состоящие
|
|
|
примерно из сотни нуклеотидов, можно считать только по сравнению
с матричной РНК, состоящей из тысяч нуклеотидов.
Для каждой из двадцати аминокислот имеется свой тип молекулы
тРНК, которая обеспечивает доставку данной аминокислоты в рибо-
сому. Синтез белка происходит при движении рибосомы вдоль цепоч-
ки мРНК. При этом молекулы тРНК, несущие аминокислоты, выст-
раиваются, согласно коду молекул мРНК, в цепочку, параллельную
матричной РНК. На рис. 4.4 показано, что молекула мРНК начала
синтез белка, включающего, в частности, последовательность амино-
кислот...«метионин—лейцин—валин—тирозин»... Валин был только
что добавлен к белковой цепочке, к которой перед этим были присо-
единены метионин и лейцин. Кодон мРНК, представляющий собой
триплет GUA, соединяется с молекулой тРНК, несущей аминокисло-
ту валин. Молекула тРНК доставляет эту аминокислоту к концу расту-
щей белковой цепочки и присоединяет валин к лейцину. Следующий
кодон мРНК, UAC, привлекает молекулу тРНК, несущую аминокис-
лоту тирозин.
Процессы транскрипции и трансляции можно описать, использо-
вав метафору французского ученого проф. К. Элена. На «фабрике» (в
клетке) чертежи хранятся в «библиотеке» (в ядре), а для «выпуска
продукции» (белков) используются не сами «чертежи» (ДНК), а их
«фотокопии» (мРНК). «Копировальная машина» (РНК — полимера-
за) выпускает или по одной «страничке фотокопии» (ген), или сразу
целую «главу» (набор генов с близкими функциями). Изготовленные
«копии» выдаются через специальные «окошки» (поры ядерной мем-
браны). Затем их используют на «монтажных линиях» (рибосомы) с
«дешифратором» (генетический код) для получения из «заготовок»
(аминокислот) окончательной «продукции» (белка).
БИОХИМИЧЕСКИЙ КОД НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
РАЗНООБРАЗИЕ БЕЛКОВ
Белки выполняют в организме самые различные функции. В каче-
стве ферментов они служат катализаторами химических реакций; в
роли гормонов они, наряду с нервной системой, управляют работой
различных органов, передавая химические сигналы. Белки использу-
ются в организме и как строительный материал (например, в мышеч-
ной ткани), и как транспортные средства (гемоглобин крови перено-
|
|
|
сит кислород).
Размах синтеза белка, происходящего в клетке, огромен. Геном
человека (набор последовательностей ДНК, определяющих генети-
ческую индивидуальность человека) содержит порядка 6 биллионов
нуклеотидов, из которых сформировано примерно 100 000 генов, чьи
размеры варьируют в пределах от 1000 до 2 миллионов нуклеотидных
пар. Если бы мы захотели описать эти 6 биллионов азотистых основа-
ний и предположили, что на одной странице можно уместить около
7* 99
3000 нуклеотидов, то нам понадобилось бы примерно 2 000 000 стра-
ниц — «многотомное собрание» нуклеотидов (и это для генома только
одного человека)!
Описание всех генов человека и расшифровки соответствующих
последовательностей ДНК — основная задача международного иссле-
довательского проекта «Геном Человека», который является самым
крупным генетическим проектом в мире. Благодаря усилиям многих
генетических лабораторий мира ученые будут иметь в своем распоря-
жении полное описание генома человека.
ТИПЫ И СТРУКТУРА ГЕНОВ
До конца 80-х — начала 90-х годов геном называли сегмент ДНК,
кодирующий полипептидную цепочку или определяющий функцио-
нальную молекулу РНК. Однако современные молекулярные исследо-
вания коренным образом изменили наше представление о структуре
гена. Сегодня понятием «ген» обозначается сегмент геномной ДНК
или РНК, выполняющий определенную функцию (причем выполне-
ние этой функции вовсе не означает, что ген должен быть транскри-
бирован и транслирован).
В настоящее время разделяют три типа генов: гены, кодирующие
белки, которые транскрибируются в РНК и затем транслируются в
белки; гены, кодирующие РНК; и регуляторные гены, которые со-
держат нетранскрибируемые последовательности. Гены, кодирующие
белки и РНК, называются структурными генами; их активность, «вклю-
чение» и «выключение» определяются генами-регуляторами.
По мере проникновения в молекулярную структуру генетического
материала все труднее становится находить в молекулах ДНК границы
|
|
|
того, что обозначается понятием «ген». Это связано с тем, что про-
цессы транскрипции (на ДНК) и трансляции (на мРНК) прямо не
совпадают ни по локализации, ни по составу нуклеотидов. Наконец,
постоянно _______увеличивается число открываемых генетических единиц. Так,
наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены, на-
пример, участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей,
функции которых мы только начинаем понимать, и мигрирующие
нуклеотидные последовательности (мобильные гены).
Структура гена сложна, и в данном учебнике она подробно рас-
сматриваться не будет. Отметим только наиболее важные моменты. В
основном гены высших организмов имеют прерывистую структуру,
Обычно они состоят из блоков (экзонов) — транслируемых участков,
которые копируются в мРНК, переносимую в цитоплазму, и других
блоков (нитронов) — нетранслируемых участков, которых в мРНК
нет. На начальном этапе транскрипции ген копируется полностью в
пре-мРНК вместе с нитронами, которые затем «вырезаются», обра-
зуя зрелую мРНК. Так, некодирующая ДНК присутствует даже внут-
ри самих генов.
|
|
|
