 |
как носителей генетической информации 3 глава
|
|
|
|
Например:
5 ЦЦА ТГГ 3
3 ГГТ АЦЦ 5
Такие симметричные структуры, называемые палиндромами, встречаются в различных участках ДНК и играют важную регуляторную роль. Палиндромы представляют собой районы двойной симметрии, поскольку ось симметрии проходит у них таким образом, что с каждой ее стороны находится одна и та же последовательность, но с противоположной ориентацией. Такие последовательности называют инвертированными повторами. Повторы в ДНК или РНК на небольшом участке изменяют их вторичную структуру, придавая ей форму креста или шпильки. Они распознаются различными ферментами в качестве регуляторных сигнальных элементов. Так, РНК-полимераза останавливается на ДНК, как только синтезируемая ею иРНК образует структуру шпильки, указывающую на то, что в данном участке ДНК находится палиндром.
Сплайсинг про – иРНК у эукариот
Сравнение структуры ДНК соответствующей ей иРНК у эукариот привело к открытию прерывистого строения генов. Оказалось, что гены эукариот состоят из экзонов – последовательностей нуклеотидов, представленных в иРНК, и интронов – последовательностей, отсутствующих в иРНК. Отсюда было сделано заключение, что процесс экспрессии генов у эукариот включает этап, которого нет у бактерий: ДНК детерминирует синтез копии РНК, соответствующей последовательностям генома, однако это еще только РНК – предшественник, или про – иРНК. Непосредственно для образования белка она не используется. Для того чтобы РНК – предшественник превратилась в транслирующую иРНК, она должна пройти созревание, или процессинг. Сначала из РНК – предшественника должны вырезаться последовательности, соответствующие интронным участкам ДНК. Отграничение интронных последовательностей от экзонных подчиняется «правилу Шамбона»: интрон начинается с пары ГУ, а заканчивается парой АГ. После вырезания интронов, оставшиеся последовательности РНК, соответствующие экзонам в ДНК, объединяются между собой с образованием зрелой иРНК. Этот процесс называют сплайсингом (сшиванием) иРНК. Сплайсинг приводит к тому, что, хотя порядок расположения триплетов в эукариотическом гене соответствует порядку расположения кодируемых ими аминокислот в белке, расстояние между триплетами внутри гена не совпадает с расстояниями между соответствующими аминокислотами в белке. В результате сплайсинга иРНК составляет по длине лишь 1/10 первоначального транскрипта.
|
|
|
Генетический код
Синтезированная иРНК транслируется в последовательность аминокислот, образующую полипептидный генный продукт и определяемую генетическим кодом, то есть системой записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот различных организмов путем определенного чередования последовательностей нуклеотидов. Поскольку генетический код читается по иРНК, он записывается с помощью четырех оснований РНК (А, Г, Ц, У).
Расшифровка заключенного в ДНК генетического кода – крупнейшее достижение биологии ХХ века, равное по значению открытию генетической роли ДНК и ее строения. Идея о том, что гены контролируют структуру образующихся в организме белков, была высказана еще в 1904 году английским врачом – биохимиком А. Гарродом, изучавшим некоторые врожденные нарушения обмена веществ у людей. Одно из таких нарушений – алкаптонурия. Эту болезнь легко распознать по характерному потемнению мочи на воздухе, связанному с появлением в ней гентизированой кислоты, или алкаптона, являющейся промежуточным продуктом деградации ароматических кислот – тирозина и фенилаланина. Гаррод, намного опередив свое время, сумел понять, что этот дефект связан с блокированием нормального пути метаболизма указанных аминокислот и наследуется в виде одиночного рецессивного гена. Таким образом, впервые была высказана мысль о том, что между генами и метаболическими реакциями организма существует взаимосвязь. Подобно работе Менделя, сделанные Гарродом наблюдения остались незамеченными, и их переоткрытие состоялось более чем через 30 лет, когда Г. Бидл и Э. Татум приступили к изучению биохимических мутаций у гриба нейроспоры Neurospora crassa. Этот гриб по способу питания – прототроф, способный расти на бедной среде, содержащей лишь неорганические соли, какой – либо сахар, например сахарозу, в качестве источника углерода и лишь один витамин (В6 или биотин). Остальные необходимые для жизнедеятельности метаболиты, включая аминокислоты, азотистые основания и витамины, нейроспора может синтезировать самостоятельно. Бидл и Татум предположили, что данный объект весьма подходит для изучения генетического контроля синтеза указанных метаболитов. С этой целью они облучали неполовые споры (конидии) нейроспоры рентгеновскими либо УФ–лучами, для того чтобы индуцировать мутации в ее ДНК. После проращивания таких мутагенезированных спор отбирались клетки, не способные развиваться на бедной, но нормально растущие на полноценной среде, содержащей все аминокислоты, пурины, пиримидины и витамины. Каждый из выделенных клонов – потомков одной мутантной клетки, нуждался в каком – либо одном из указанных веществ. Генетический анализ показал, что в отобранных клонах мутация каждый раз происходила только в одном гене. В связи с этим было сделано заключение: одна мутация приводит к потере одной метаболической активности и, следовательно, один ген кодирует один фермент. Несмотря на то, что позднее было доказано, что многие белки (например, гемоглобин или уже упоминавшаяся ДНК–зависимая РНК–полимераза) состоят из двух (или более) полипептидных цепей, каждая из которых кодируется отдельным геном, и, следовательно, более точной является формула один ген – одна полипептидная цепь, вывод Бидла и Татума (1941) заложил основу современной биохимической генетики.
|
|
|
После того как стало очевидным, что структура полипептидов определяется генами, необходимо было понять, каким образом последовательность из четырех азотистых оснований в ДНК детерминирует последовательность из 20 аминокислот, образующих первичную структуру полипептидов. Поскольку генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК, ясно, что генетический код должен непосредственно связывать последовательности оснований в иРНК с аминокислотным составом белка. Единица генетической информации, определяющая, какая из аминокислот будет встраиваться в синтезирующую молекулу белка, получила название кодона. Для того чтобы 20 аминокислот могли включиться в белок в процессе трансляции иРНК, необходимо, чтобы она содержала, по крайней мере, 20 различных кодонов. Если кодон будет состоять из двух оснований, их сочетания могут образовать лишь 4 
или 16 кодонов, что явно недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Однако если в кодон входят три нуклеотида, то они могут комбинироваться в 4 
или 64 сочетания, что более чем достаточно. Гипотеза о существовании кода, содержащего три нуклеотида в каждом кодоне, впервые была предложена физиком А. Гамовым, (1954) и экспериментально доказана Ф. Криком с сотрудниками (1961) в результате генетического анализа мутаций в локусе г II бактериофага Т4, индуцированных акридиновым красителем – профлавином. Мутагенное действие профлавина является следствием ошибок репликации, приводящих к вставке или удалению одной пары оснований в ДНК. Мутации в локусе г II фага Т4 приводят к тому, что образуемые на бактериальном газоне негативные колонии фага имеют заметно больший размер, чем те, что формируются фаговыми частицами дикого типа. Полученные г II мутанты Т4 в свою очередь обрабатывали профлавином для получения из них фенотипически нормальных ревертантов г 
, которые легко обнаружить по образованию среди крупных негативных колоний фага немногих мелких. Путем анализирующих обратных скрещиваний между мутантными фагами и ревертантами было выявлено, что все фаговое потомство имеет мутантный (крупный) фенотип. Отсюда был сделан вывод, что индуцированные профлавином ревертанты формируются не вследствие истинной, обратной мутации в исходном сайте, а в результате возникшей по соседству супрессорной (подавляющей) мутации. Так, если исходная мутация представляет собой вставку или делецию одной пары нуклеотидов, то супрессорная мутация может обеспечить восстановление дикого фенотипа лишь в случае, если она соответственно является делецией или вставкой. Очевидно, что выпадение или добавление одной пары нуклеотидов в случае исходной мутации должно привести к сдвигу рамки считывания, то есть к изменению одного из трех возможных способов чтения нуклеотидных последовательностей в виде отдельных триплетов. Иными словами, такие одиночные мутации должны привести к смещению точки, от которой начинается разбивка генетической информации на кодоны. Образующаяся вправо об этой области супрессорная мутация восстановит за счет вставки или делеции правильную рамку считывания в последующей (дистальной) части данного гена. Если участок между прямой и супрессорной мутациями кодирует последовательность аминокислот в белке, несущественную для его функциональной активности, то сдвиг рамки считывания фенотипически окажется незамеченным. Именно это и происходит в случае супрессорных мутаций в г II области фага Т4: несмотря на то, что содержащие их фаги продолжают нести исходную мутацию, они характеризуются диким фенотипом. Крик с соавторами провели несколько циклов обработки таких псевдореверантов профлавином, и все индуцированные в результате такой обработки мутации были отнесены к «+» или «-» типу, если они соответственно приводили к появлению новой вставки или делеции. Если исходная мутация была «+»-типа (вставка), а супрессорная соответственно «-»-типа (делеция), то возврат к мутантному фенотипу при повторных обработках профлавином наблюдался в случае образования новой супрессорной мутации «+»-типа и т. д. Проведя подобную условную классификацию полученных исходных супрессоров 1-го, 2-го порядков и т. д. (в действительности было неизвестно, какая именно мутация, «+» или «-»-типа, является вставкой или делецией), Крик с соавторами скрещивали затем мутантные фаги и отбирали рекомбинанты с различными комбинациями мутаций «+» или «-»-типа. Оказалось, что если рекомбинант содержал две «+» или две «-»-мутации, его фенотип всегда был мутантным. Однако рекомбинанты с тремя однотипными мутациями часто имели фенотип дикого типа. Это означало, что восстановление нормальной рамки считывания в следующей за этими мутациями части гена происходило лишь в случае трех, но не меньшего числа вставок либо делеций пар оснований. На основе этих чисто генетических экспериментов было сделано важное заключение о том, что кодон действительно состоит из трех нуклеотидов, т.е., что генетический код является триплетным. В последующем этот вывод был полностью подтвержден биохимически при исследовании трансляции иРНК in vitro и особенно путем прямого сравнения последовательностей нуклеотидов в определенных генах и аминокислот в их белковых продуктах.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вслед за доказательством триплетности кода он был детально исследован, в результате чего было установлено, какие кодоны соответствуют конкретным аминокислотам и каким образом осуществляется пунктуация кода. Ответы на эти вопросы были получены в работах М. Ниренберга, ДЖ. Маттен (1961) и С. Очоа с соавторами (1962), показавших возможность конструирования искусственных молекул РНК с известным составом нуклеотидов, способных направлять синтез полипептидов in vitro. Так было обнаружено, что РНК, образованная уридиновыми нуклеотидами, в которых основанием является урацил, направляет синтез полипептида, состоящего только из фенилаланина. Изменяя относительное содержание различных нуклеотидов, можно получить молекулы РНК с различной частотой встречаемости каждого из 64 (4 ) кодонов, образуемых этими нуклеотидами, и выявить взаимосвязь между нуклеотидным составом РНК и аминокислотным составом синтезируемых под контролем этих РНК полипептидов. Прямые корреляции этих двух показателей были получены в работах Г. Кораны, использовавшего в системе синтеза белка in vitro синтетические иРНК с точно известной последовательностью нуклеотидов. В результате этих и других работ был полностью расшифрован генетический код и доказано, что данные о способности отдельных кодонов детерминировать соответствующие аминокислоты в синтезирующихся полипептидах, полученные в системах in vivo и in vitro, полностью совпадают.
Общие свойства кода были выявлены генетическими методами путем изучения молекулярных закономерностей образования мутаций. Они сводятся к следующему:
1. Генетический код универсален (т.е. идентичен в основном для всех живых организмов);
2. Триплетен (т.е. каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами);
3. Не перекрывается (т.е. соседние триплеты не имеют общих оснований);
4. Не содержит каких–либо разделительных знаков между отдельными триплетами (код без запятых);
5. Имеет линейный порядок считывания и характеризуется колинеарностью, то есть совпадением порядка расположения кодонов в иРНК с порядком кодируемых ими аминокислот в синтезирующемся белке;
6. Является вырожденным, или избыточным, так как все аминокислоты (за исключением метионина и триптофана) имеют более одного кодона;
7. Из трех нуклеотидов кодона преимущественное значение имеют два первых, третий может варьировать;
8. В среднем каждая аминокислота кодируется тремя триплетами;
9. Число кодонов для каждой аминокислоты (кроме аргинина) коррелирует с частотой ее встречаемости в белках;
10.Частота использования различных кодонов для включения одной и той же аминокислоты может быть видоспецифичной.
Для пунктуации генетической информации во время ее трансляции имеют значение пять кодонов. Кодоны АУГ и ГУГ называются инициирующими. Они определяют правильное начало синтеза генного продукта при трансляции иРНК. Эти кодоны располагаются на границе последовательностей иРНК, списываемых с регулярной и структурной частей гена. Они указывают точку, от которой начинается синтез полипептидной цепи, поскольку регуляторная часть гена не транслируется. Если те же кодоны располагаются в структурной части гена (за редким исключением, связанных с особенностями кода в митохондриях), они теряют свое инициирующее значение и направляют включение метионина или валина соответственно. Помимо двух инициирующих код содержит три терминирующих или нонсенс (бессмысленных), кодона (УАА, УАГ и УГА), определяющих окончание синтеза полипептидной цепи.
Универсальность кода, установленного для E. сoli, продемонстрированная во многих случаях, свидетельствует о его раннем эволюционном происхождении, но эта универсальность не абсолютна. Известны следующие отклонения от правила универсальности кода, обнаруженные у эукариот:
1. В митохондриях различных видов организмов кодон УГА не является терминирующим, а подобно УГГ, кодирует триптофан;
2. Кодоны АГА и АГТ не кодируют аргинин, а служат терминаторами;
3. Наряду с АУГ инициирующими служат кодоны АУА и АУУ;
4. У млекопитающих кодоны АУА и АУГ, находясь в середине цепи иРНК, кодируют метионин, а не изолейцин, как АУА в обычном коде, а кодон АУУ, как и в обычном коде, кодирует изолейцин;
5. У дрожжей кодон ЦУА кодирует не лейцин, а треонин.
Отмеченные изменения кода в митохондриях имеют характер упрощения, генетически более примитивна, чем хромосомная ДНК. Известно, что ДНК митохондрий у разных организмов, несмотря на отличия в размерах, кодируют лишь около 10 белков.
Трансляция иРНК
Рибосомы
Биосинтез белка осуществляется путем трансляции иРНК рибосомами – структурами, локализованными у эукариот в цитоплазме, часто на разветвленной внутриклеточной мембранной сети, называемой эндоплазматическим ретикулумом. У прокариот рибосомы разбросаны по всей клетке. Рибосомы состоят примерно из 50 белков и 3–5 молекул рРНК, различающихся по молекулярной массе. Размер рибосом обычно обозначают в единицах Сведберга (S), отражающих скорость их осаждения при центрифугировании. Независимо от происхождения рибосомы состоят из двух субъединиц. У E.coli рибосомы имеют коэффициент седиментации 70 S, а более крупные рибосомы эукариот– 80 S. Поскольку в клетках как про-, так и эукариот число рибосом очень велико, гены rrn, кодирующие рРНК, представлены в ДНК во многих копиях. Так, у E.coli имеется по 5-10 копий таких генов, локализованных в трех различных районах хромосомы. У эукариот гены, кодирующие синтез рРНК, представлены в сотнях и даже тысячах копий и тандемно повторяются (т.е. расположены непосредственно друг за другом) в районе ядрышкового организатора определенных хромосом, либо сгруппированы в виде тандемных повторов в других участках генома.
Особенности и различия про- и эукариотических иРНК
Прокариотическая иРНК
Как отмечалось, многие прокариотические иРНК полицистронны, т.е. содержат последовательности, детерминирующие синтез нескольких полипептидов. Поэтому такие иРНК содержат серию старт (инициирующих)- кодонов. Обычно на 5’ - конце иРНК имеется лидерная последовательность из нескольких сотен пар нуклеотидов, расположенная перед первым старт-кодом. Кроме того, кодон, от которого начинается синтез следующего белка, разделен последовательностью из 5-20 п.н., называемой спейсером (от англ. spacer- прокладка). Стоп-кодоны часто располагаются парами (например, УАГ и УАА). За последним стоп–кодоном на 3’-конце иРНК располагается не кодирующая белок последовательность, называемая трейлером (от англ. treiler – прицеп). В состав лидерного участка входит последовательность 5’ -АГГАГГУ-3’, служащая сигналом на инициацию трансляции иРНК. Эта последовательность Шаин-Далгарно, называемая по имени ее открывателей, расположена на 4-7 основании влево от старт-кодона и, по-видимому, обеспечивает присоединение иРНК к рибосоме за счет связывания с 16SрРНК, на 3’ - конце которой часто встречается последовательность, комплементарная последовательности Шаин-Далгарно. Эффективность трансляции бактериальных иРНК, лишенных последовательности Шаин-Далгарно, низкая. Наряду с этим в связывании иРНК с рибосомами участвуют и ряд белков
Эукариотическая иРНК
В отличие от короткоживущих прокариотических иРНК в клетках млекопитающих около 50% иРНК имеют период полураспада около 6 часов и более. Особенно стабильна эукариотическая иРНК в дифференцированных клетках, синтезирующих специальные белки. У эукариот иРНК всегда списывается с одного, а не сразу с нескольких генов, организованных у прокариот в опероны. Стартовым кодоном служит АУГ и никогда – ГУГ. Характерная особенность эукариотических иРНК– наличие «колпачка», или кэпа (от англ. сар – колпачок). «Кэп» представляет собой гуанозин, атом углерода которого в 7 положении несет метильную группу СН 
. Образовавшийся 7-метилгуанозин (МеГ) присоединяется к 5’ - концу РНК-предшественника. Метилированию часто подвергается одна-две рибозы, ближайшие к 5’ - концу. Предполагается, что «кэпирование», происходящее в цитоплазме вскоре после начала синтеза РНК-предшественника, защищает иРНК от разрушения клеточными нуклеазами и способствует ее распознаванию рибосомами. «Хвост» на 3’ - конце молекул иРНК представляет собой последовательности из 20-200 адениновых нуклеотидов. Такой поли(А)-хвост не кодируется ДНК, а добавляется к РНК-предшественнику в ядре после окончания транскрипции. При переходе этой РНК из ядра в цитоплазму ее «хвост» укорачивается. Предполагается, что полиаденилирование эукаритической иРНК повышает ее стабильность (это существенно, учитывая продолжительность ее жизни) и каким-то образом связано со сплайсингом. У эукариот, так же как и бактерий, иРНК составляет всего 3% от всей клеточной РНК. В настоящее время разработаны методы выделения индивидуальных иРНК.
Транспортные РНК
В раскрытии механизма трансляции важную роль сыграла предложенная Криком (1958) гипотеза, согласно которой распознавание аминокислот в процессе синтеза белка происходит не прямо путем взаимодействия между ними и соответствующими кодонами иРНК, а с участием промежуточных молекул – адаптеров. Такие молекулы действительно были скоро открыты. Ими оказались тРНК. Эти небольшие (4 S) молекулы длиной 75–85 нуклеотидов имеют характерную вторичную структуру в форме листа клевера, образующую вследствие формирования водородных связей между комплементарными нуклеотидами в разных участках молекулы. В этих участках тРНК имеют дуплексную структуру. Три такие структуры завершаются одноцепочечной петлей, внутри которой спаривания не происходит. Одна из петель содержит антикодон – триплет, комплементарный какому–либо кодону в иРНК. Структура некоторых тРНК была впервые расшифрована р. Холли (1965) в США и А. А. Баевым (1967) в СССР. В результате выявилась не только сложная вторичная структура тРНК, но обнаружилось, что в их первичную структуру входят необычные нуклеотиды (инозин, превдоуридин, метилгуанин и др.), образующиеся в ходе посттранскрипционной модификации тРНК.
Спаривание антикодона тРНК и соответствующего ему кодона иРНК происходит таким образом, что третье (3’) основание кодона связывается с 5’-основанием антикодона, например кодон 5’ - АГУ - 3’ ---- связывается с антикодоном 3’ - EWF-5’. Однако ввиду вырожденности кода может существовать несколько тРНК, распознающих различные кодоны одной аминокислоты, или же антикодон определенной тРНК способен спариваться с несколькими кодонами. Однако ввиду вырожденности кода может существовать несколько тРНК, распознающих различные кодоны одной аминокислоты, или же антикодон определенной тРНК способен спариваться с несколькими кодонами. Прочные водородные связи с антикодоном образуют только первые два азотистых основания.
При этом всегда соблюдается принцип комплементарности. В результате третье основание кодона начинает «колебаться», то есть спариваться с различными, не обязательно комплементарными основаниями. Эксперимент полностью подтвердил эту гипотезу, называемую гипотезой «качелей» или уоббл–гипотезой (от англ. wobble– колебаться). Вследствие образования таких качелей антикодон одной из тРНК способен распознать от одного до трех различных кодонов одной аминокислоты. Вместе с тем каждая аминокислота имеет 1–4 специфичные тРНК, к которым она присоединяется, образуя аминоацил-тРНК. Этот процесс сопряжен с затратой большого количества энергии для образования эфирной связи между СООН-группой аминокислоты и ОН–группой рибозы последнего основания в тРНК, которым всегда является аденин.
Формирование аминоацил–тРНК – двухэтапный процесс, катализируемый специальным ферментом– синтетазой. Каждая из 20 аминокислот имеет, по крайней мере, одну собственную аминоацил–тРНК–синтетазу. Аминоацилированная тРНК способна «распознать» соответствующий кодон в иРНК и подставить нужную аминокислоту в строящуюся полипептидную цепь в таком положении, которое облегчит образование пептидных связей между соседними аминокислотами.
«Распознавание» кодона антикодоном контролируется рибосомами. Рибосомы движутся вдоль иРНК в направлении 5’ ---3’, считывая кодоны путем присоединения к ним аминоацил-тРНК, несущих соответствующие антикодоны. К каждой иРНК присоединяется одновременно несколько рибосом, располагающихся вдоль ее молекулы на 90 нуклеотидов друг от друга. Такой трансляционный комплекс называют полирибосомой или полисомой. У бактерий полисомы намного крупнее, чем у эукариот. Это, в частности, связано с тем, что у прокариот иРНК имеют большую длину (особенно в случае полицистронной иРНК). Присоединение рибосом к иРНК происходит до окончания транскрипции. У E.coli каждая иРНК транслируется сразу 30 рибосомами в отрезке времени между ее транскрипцией и деградацией. У эукариот обычно к одной иРНК присоединяется менее 10 рибосом одновременно. В среднем у обеих групп организмов полисомы соответствуют величине синтезируемого полипептида.
В рибосомах имеются два сайта связывания с тРНК. Один из них, А (или аминоациальный) сайт: присоединяет входящую аминоацил–тРНК. Другой Р (пептидильный) – сайт, связан с тРНК предшествующей аминокислоты растущего полипептида. При перемещении рибосом вдоль иРНК аминоацил–тРНК переходит из А в Р–сайт по мере передвижения соответствующих кодонов иРНК. Распознавание кодонной специфичности аминоацил–тРНК определяется входящей в ее состав тРНК, но не аминокислотой. Искусственная замена аминокислоты, привязанной к тРНК при неизменном антикодоне, приводит к тому, что тРНК подставляет под иРНК новую аминокислоту.
Как отмечалось, генетический код содержит кодоны, инициирующие синтез белка. У прокариот к инициирующему кодону (АУГ, реже ГУГ) присоединяется особая инициаторная тРНК, являющаяся формилметионил–тРНК. Это означает, что синтез любого полипептида начинается с модифицированного метионина. В дальнейшем у многих полипептидов этот концевой формилметионин либо формильная группа отщепляются.
Этапы трансляции
Процесс трансляции подразделяют на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Стадия инициации включает все реакции, осуществляющиеся до формирования пептидной связи между первыми двумя аминокислотами. У E.coli инициация включает все реакции, осуществляющиеся до формирования пептидной связи между первыми двумя аминокислотами. У E. сoli от инициации транскрипции гена до появления в клетке его иРНК проходит около 2,5 мин, а соответствующего белка - еще 30 сек. Инициация синтеза полипептидной цепи происходит в момент формирования комплекса между иРНК, 30S субъединицей рибосомы и формилметионил–тРНК.
Стадия элонгации включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения к синтезирующемуся полипептиду последней аминокислоты. У прокариот этап элонгации идет очень быстро; как отмечалось, при 37оС в полипептид за 1 сек. включается в среднем 15 аминокислот. Следовательно, если исходить из того, что размер гена составляет около 1000 п.н., синтез кодируемого им белка из 300 аминокислот осуществляется всего за 20 сек. При этом в синтезе белка участвуют одновременно до 80% всех клеточных рибосом. У эукариот скорость синтеза белка существенно ниже: за 1 сек. при 37оС в цепь включаются лишь около 5 аминокислот. На стадии терминации трансляции полностью синтезированный полипептид освобождается от концевой тРНК, а рибосомы отходят от иРНК. Когда один из терминирующих кодонов (УАГ, УАА либо УГА) окажется в сайте А, весь комплекс распадается: образовавшаяся полипептидная цепь вместе с присоединенной к ней аминоацил–тРНК концевой аминокислоты отделяется от сайта Р, соответствующая тРНК переходит в свободную форму, а рибосома диссоциирует на две исходные субъединицы, способные в дальнейшем к новому объединению путем самосборки.
Сформировавшийся в ходе трансляции полипептид полностью соответствует (колинеарен) кодирующему его гену. Это означает, что первые три нуклеотида структурной части гена соответствуют кодируемой ими первой аминокислоте в образующемся под контролем данного гена полипептиде, вторые три нуклеотида соответствуют второй аминокислоте в том же полипептиде и т. д.. Строгое доказательство колинеарности гена и полипептида было получено Ч. Яновским с соавторами (1964), выявившими полное соответствие взаиморасположения отдельных мутаций в гене tpr A E.coli, определяемого по проценту рекомбинации между мутантными сайтами и расстоянию между заменами аминокислот в кодируемом этим геном полипептиде А, входящем в состав фермента триптофансинтетазы. Подобная колинеарность была выявлена и при исследовании мутаций, ведущих к появлению нонсенс – кодонов и преждевременной терминации синтеза полипептидной цепи. В случае колинеарности размер белка, синтезирующегося в мутанте, должен соответствовать расстоянию между началом гена и мутацией. Это и было установлено при сравнении положения мутаций в гене фага Т4, кодирующем основной структурный белок фаговой головки, с заменами аминокислот в нем, обусловленными этими мутациями. Подсчитано, что в среднем одна аминокислота кодируется участком гена, равным 0,015 единицы рекомбинации. Отсюда следует, что ген длиной 4 единицы рекомбинации соответствует белку, состоящему примерно из 270 аминокислот. Наиболее прямые доказательства колинеарности были получены тогда, когда появилась возможность непосредственно сравнить нуклеотидные последовательности в отдельных генах с аминокислотными последовательностями в их продуктах. Такие доказательства были получены для гена, кодирующего белок оболочки РНК–содержащего бактериофага МS 2. Необходимо, однако, отметить, что у эукариот эта колинеарность полипептида кодирующему его гену не всегда прослеживается в виде непрерывной последовательности пар нуклеотидов, поскольку у эукариот кодирующие последовательности (экзоны) могут прерываться некодирующими (интронами). Это не противоречит концепции колинеарности, а лишь означает, что последовательность триплетов нуклеотидов, транскрибирующая в кодоны иРНК, а затем транслирующаяся в аминокислоты в коллинеарном полипептиде, не всегда непрерывна.
Регуляция действия генов
В любой клетке различие между ее фенотипом и генотипом определяется механизмами регуляции работы генов, кодирующих структуру полипептидов, белков, рРНК и тРНК. Такие гены называют структурными. Именно регуляцией активности структурных генов объясняется тот факт, что, несмотря на идентичность генотипов клеток многоклеточного организма, они значительно различаются по строению и функции. Переключение синтеза с одних белков на другие лежит в основе всякого развития, будь то репродукция вирусов в зараженных клетках, рост и спорообразование у бактерий, развитие эмбрионов или дифференцировка тканей. На каждом этапе этих процессов синтезируются специфичные белки.
|
|
|
