Реплікація, транскрипція і трансляція
Відео: Синтез білка
Зберігання спадкової інформації здійснюється дезоксирибонуклеїнової кислотою (ДНК). ДНК - це полімер, мономерами якого є дезоксирибонуклеотидів. До їх складу входять вуглевод 2-дезокси-b-D-рибоза, залишок фосфорної кислоти і азотисті основи чотирьох типів: два пуринових - аденін і гуанін, і два піримідинових - тимін і цитозин. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюжків, скріплених між собою водневими зв`язками між азотистими підставами. Полинуклеотидная ланцюжок утворена чергуються залишками 2-дезокси-b-D-рибози і фосфорної кислоти, яка приєднана до 5 атому вуглецю кільця вуглеводу з одного боку і до 3 атому з іншого боку. Азотисті основи відгалужуються від ланцюжка, приєднуючись до 1 атому вуглецю кільця вуглеводу. Азотисті основи, що протистоять один одному в полінуклеотидних ланцюгах, комплементарні один одному: пуриновому основи відповідає пиримидиновое (аденіну - тимін, гуаніну - цитозин). У кожного ланцюжка молекули ДНК один кінець закінчується п`ятим (фосфатним), а інший - третім (гідроксильних) вуглецевим атомом вуглеводу. Вони позначаються як 5 `і 3`кінці. Ланцюжки в молекулі ДНК антіпараллельни. В одному ланцюжку нуклеотиди пов`язані в напрямку 5 `® 3`, а в іншій - 3 `® 5`. Полінуклеотідниє ланцюжки утворюють подвійну спіраль. Кожен виток спіралі містить 10 пар азотистих основ (рис. 2.2).
Відео: Синтез білка
Під час реплікації (синтезу) ДНК кожна з ланцюгів батьківської ДНК служить матрицею для утворення комплементарної дочірньої ланцюга з попередників - дезоксирибонуклеозидтрифосфатов: дезоксіаденозін-, дезоксіцітідін-, дезоксигуанозину - і дезоксітімідінтріфосфата. При їх полімеризації відбувається звільнення молекул пірофосфату, які розщеплюються пірофосфатази. Реплікація ДНК здійснюється за напівконсервативним механізму: одна з ланцюгів дочірньої молекули ДНК є частиною батьківської молекули, а інша - знову синтезованої.
ДНК-полімераза здатна синтезувати ДНК тільки в напрямку від 5cent - кінця до 3cent - кінця. Тому на одного ланцюга ДНК освіту дочірньої ланцюга, званої провідною, відбувається безперервно, синтез іншого ланцюга відбувається переривчасто у вигляді коротких фрагментів Окадзакі, які отримали свою назву на честь вченого, вперше їх виявив. Ця друга дочірня ланцюг отримала назву відстає. Фрагменти Окадзакі також синтезуються в напрямку 5cent- ® 3cent-, але переміщення ДНК-полімерази уздовж матричної ланцюга ДНК при утворенні кожного фрагмента протилежно напрямку руху при синтезі провідною ланцюга. Провідна і відстає ланцюга ДНК синтезуються координовано, що забезпечується Димеризація ДНК-полімеразної комплексів у бактерій і наявністю різних ДНК-полімерази в еукаріотів. Для з`єднання двох фрагментів Окадзакі ДНК-лігази спочатку видаляється РНК-запал за допомогою екзонуклеаза і РНКази Н - нуклеази, специфічно розщеплює РНК в ДНК-РНК-гібридах.
Процес реплікації ДНК розділяють на три етапи: ініціацію, елонгацію і терминацию. Для початку реплікації необхідний праймер (запал) - короткий олігодезоксі - або олігорібонуклеотід, комплементарний відповідної ділянки ДНК-матриці.
В ході реплікації ДНК її ланцюга розходяться з точки реплікації, утворюючи Y-подібну структуру, яка називається реплікативної виделкою. Саме в цьому місці локалізована реплікативний комплекс, що складається з декількох білків. ДНК-ХЕЛІКАЗИ переміщається в репликативной вилці попереду ДНК-який синтезує комплексу, розплітає ланцюга батьківської ДНК і стимулює утворення запалів праймазой. ДНК-синтезує комплекс містить ДНК-полімерази, рухливий зв`язуючий білок RPA і ДНК-залежну АТФази, яка дізнається і зв`язується з єдиним праймером провідною ланцюга ДНК і з кожним праймером фрагментів Окадзакі відстає ланцюга, що робить можливим приєднання до праймерів ДНК-полімерази і білка RPA . RPA зв`язується з утворюються одноланцюжковий ділянками, полегшуючи процес розплітання. RPA охоплює молекулу ДНК позаду ДНК-залежною АТФази, стимулює АТФазной активність і залишає 3cent - кінець праймера доступним для ДНК-полімерази. ДНК-полімераза починає елонгацію ланцюгів ДНК, приєднуючи перший дезоксірібонуклеозідмонофосфат до 3cent - кінцевого нуклеотиду РНК-затравки.
Передача інформації від ДНК здійснюється за допомогою інформаційної або матричної рибонуклеїнової кислоти (мРНК). Синтез мРНК називається транскрипцією. Молекула мРНК, комплементарная однієї з ланцюгів матричної ДНК, утворюється в ході сополимеризации чотирьох рибонуклеозидтрифосфатов (аденін-, гуанозін-, цитозин - і урацілтріфосфата) з утворенням 3cent - 5cent - фосфодіефірних зв`язків і звільненням неорганічного пірофосфату. Транскрипцію здійснює фермент ДНК-залежна РНК-полімераза. Синтез мРНК молекулами РНК-полімерази починається в певних місцях ДНК, які називаються промоторами, і завершується на особливих нуклеотидних послідовності - термінаторів. Сукупність нуклеотидів ДНК, укладених між промотором і термінатором, називають транскрипционной одиницею або транскріптоном.
Процес транскрипції поділяють на 4 стадії: зв`язування РНК-полімерази з ДНК і розпізнавання промотора, ініціація, елонгація і термінація. Передбачається, що після початкового нетривкого зв`язування з ДНК у випадковому місці молекула РНК-полімерази переміщається уздовж подвійної спіралі ДНК до тих пір, поки не виявить послідовність нуклеотидів промотора. У цьому місці зв`язування молекули ферменту з ДНК стає міцнішим. Ініціація транскрипції починається з освіти на промоторі пред`ініціонного комплексу, що складається з РНК-полімерази і матричної ДНК. Після складання пред`ініціаціонний комплекс зазнає температурно-залежні конформаційні зміни, які супроводжуються локальним плавленням, тобто розплітання подвійної спіралі ДНК, і комплекс стає здатним до транскрипції. При наявності рибонуклеозидтрифосфатов відбувається утворення перших фосфодіефірних зв`язків в молекулі синтезується мРНК, після чого починається стадія елонгації, тобто послідовне подовження синтезується молекули мРНК.
Відео: Транскрипція
У 1992 р М. Чемберлен з співробітниками розробили загальну модель елонгації мРНК, згідно з якою переміщення РНК-полімерази уздовж ДНК і приєднання нуклеотидів до зростаючої ланцюга мРНК в активному центрі ферменту розділені в часі. Це поділ можливо тому, що у РНК-полімерази є два сайти (ділянки), що утримують зростаючу ланцюг мРНК, і дві ділянки зв`язування ДНК-матриці. Молекула РНК-полімерази переміщається уздовж ДНК подібне гусениці: коли один сайт зв`язування ДНК фіксований, інший переміщається вперед. ДНК-залежні РНК-полімерази фагів, що складаються з однієї субодиниці, синтезують РНК в умовах in vitro зі швидкістю 200-400 нуклеотидів в секунду. При переміщенні ферменту уздовж матриці ланцюга ДНК піддаються плавлення і повторного відпалу, в результаті якого відновлюється вихідна структура ДНК. Стадія елонгації закінчується після досягнення РНК-полімераза термінатора транскрипції. Потім синтезована РНК і РНК-полімераза звільняються з транскрипційного комплексу. Тільки мінус-ланцюг ДНК служить матрицею для синтезу мРНК.
Ділянки ДНК, що несуть інформацію про будову білка - екзонів, розділені неінформативними интронами. У процесі транскрипції зчитується інформація як з екзонів, так і з інтронів. Утворюється попередник мРНК - про-мРНК. Молекули про-мРНК зазнають дозрівання - процесинг. В ядрі з про-мРНК відбувається вирізання інтронів і об`єднання екзонів - сплайсинг. До щойно утвореної мРНК прикріплюється особлива угруповання полі-А і до одного з кінців мРНК приєднується захисна хімічна угруповання КЕП. Після цього мРНК з`єднується з білком, утворюючи ІНФОРС. Вона виходить через пори в ядерній оболонці в цитоплазму. мРНК вивільняється з інфорсоми і одноцепочечная неспіралізованная молекула мРНК приєднується до ділянки малої субодиниці рибосоми, який примикає до великої субодиниці. До рибосоми прикріплюється невелику ділянку ланцюга мРНК, що містить один кодон, що складається з трьох азотистих основ. Один кодон відповідає одній амінокислоті. Однак деякі амінокислоти кодуються кількома різними кодонами. Таким чином, перший етап синтезу білка - трансляції полягає в утворенні комплексу між мРНК і рибосомою.
Перенесення амінокислот в цитоплазмі до рибосом здійснюється транспортними РНК (тРНК або 4S-РНК) з 70-80 нуклеотидів з молекулярної масою 25-30 кД. Вони складають майже 10% від усієї клітинної РНК і розчинені в гіалоплазме. Тому тРНК ще називають розчинною РНК. До складу білків входять 20 амінокислот і кожній амінокислоті відповідає своя тРНК. Завдяки певному розташуванню комплементарних нуклеотидів полинуклеотидная ланцюжок тРНК утворює вторинну структуру, що отримала назву "конюшини". Рентгеноструктурний аналіз дозволив встановити третинну структуру тРНК. Вона виявилася складеної з двох стебел на зразок латинської букви L.
Кожна тРНК має триплет підстав - антикодон, відповідальний за прикріплення до комплементарному кодону мРНК. Для того, щоб амінокислота приєдналася до тРНК необхідна її активація або збагачення енергією. Активація амінокислоти відбувається за рахунок її реакції з аденозинтрифосфорної кислотою (АТФ) - речовини з макроергічними зв`язками (~). Реакція йде за участю ферменту аміноацілсінтетази (кодази). Утворився аміноаціладенілат залишається пов`язаним з ферментом і вступає в реакцію з тРНК з утворенням аміноацил-тРНК.
Аминоацил-тРНК антикодоном приєднується до кодону мРНК на малій субодиниці рибосоми. Після того як перша амінокислота зі своєю тРНК увійшла в малу субодиницю рибосоми, відбувається змикання малої і великої субодиниць рибосоми. Після змикання субодиниць тРНК разом з амінокислотою переноситься на велику субодиницю. Одночасно мРНК переміщається на один кодон. В результаті в малу субодиницю входить наступний кодон, що кодує іншу амінокислоту. До цього кодону за допомогою антикодону приєднується друга тРНК зі своєю амінокислотою. У рибосомі опиняються дві амінокислоти, орієнтовані один біля одного таким чином, що карбоксильна група першої амінокислоти виявляється поруч з аминогруппой другий амінокислоти. В результаті зближення цих груп і за участю ферменту великої субодиниці рибосоми пептіділтрансферази амінокислоти з`єднуються пептидним зв`язком. Утворився дипептид приєднаний до другої тРНК, а перша тРНК звільняється і йде в цитоплазму. В результаті дипептид з другої тРНК виявляється пов`язаним з великою субодиницею рибосоми, а мРНК переміщається ще на один кодон (рис. 2.3). Приєднання амінокислотних залишків - елонгація повторюється багаторазово, поки не утвориться полипептидная ланцюжок білка. Закінчення освіти поліпептидного ланцюжка - термінація пов`язано з тим, що в малу субодиницю вступає термінальний кодон мРНК. Новоутворена полипептидная ланцюжок залишає рибосому. Велике значення має об`єднання рибосом в ланцюжка - полісоми. У цьому випадку одна молекула мРНК може послідовно приєднуватися до них і служити матрицею для синтезу декількох однакових молекул білка. Коли синтез білка закінчений, мРНК розпадається. Синтез білкової молекули йде з великою швидкістю і тому час життя мРНК невелика (від декількох секунд до 1-2 хвилин). Однак, на певних фазах розвитку рослин (наприклад, в тих, що набухають і проростають насінні) синтезуються так звані довгоживучі молекули мРНК.
На закінчення можна сказати, що з покоління в покоління передаються молекули ДНК, які несуть в собі інформацію про склад білкових молекул. План побудови білка записаний в ДНК за допомогою триплетного коду, представленого чергуванням азотистих основ. Під впливом зовнішніх умов або спонтанно ДНК може змінюватися. Ці зміни можуть бути корисними, марними і шкідливими. Корисні зміни, що дають організмам перевага в боротьбі за існування, можуть закріплюватися у спадок в ході природного або штучного відбору.
Виникаючі в процесі трансляції білки є полімерами, мономерами яких служать амінокислоти. Білки являють собою ланцюжки залишків амінокислот, з`єднаних між собою пептидними зв`язками. Молекулярна маса білків залежить від кількості мономерів і коливається від декількох тисяч до мільйонів. Різноманітність білків визначається різної послідовністю амінокислотних залишків. Білки, також як і амінокислоти - амфотерні сполуки, тобто мають позитивний і негативні заряди. У кожного білка своя ізоелектричної точка - значення рН, при якій молекула білка не має заряду.
Молекула білка має первинну, вторинну, третинну і четвертинних структуру. Первинна структура визначається послідовністю амінокислотних залишків у білковій молекулі. Між амінокислотами, що входять в поліпептидний ланцюжок, можливі водневі та інші зв`язки. В результаті цього полипептидная ланцюжок набуває особливого розташування в просторі, найчастіше у вигляді спіралі. Це вторинна структура. За конформації поліпептидного ланцюга розрізняють фібрилярні і глобулярні білки. Фібрилярні білки зберігають витягнуту форму спіралі. У глобулярних білків спіраль згортається в кулясту глобулу, яка представляє собою третинну структуру білка. Вона підтримується крім водневих зв`язків гідрофобними взаємодіями і дисульфідними зв`язками, що виникають між двома сульфгідрильними (SH) групами. Білки можуть складатися з декількох поліпептидних ланцюжків і їх взаємне розташування в просторі і навколо один одного являє собою четвертинних структуру.
