Строение и биологические функции нуклеиновых кислот. Пути передачи генетической информации. Биосинтез ДНК (репликация)

Транспортные РНК. Это  низкомолекулярные нуклеиновые кислоты; молекулярная масса колеблется в пределах 23000–30000, каждой из 20 белковых аминокислот соответствует, по крайней мере, одна тРНК. Однако некоторым аминокислотам специфичны от 2 до 6 тРНК; предполагается их общее количество около 60. Они составляют примерно 15% общего количества клеточных РНК. Многие тРНК получены в гомогенном состоянии, некоторые – в кристаллическом виде.

Небольшая молекулярная масса, наличие достаточно большого количества (до 10%) минорных оснований, которые являются прекрасными маркерами, существенно облегчают проблему определения нуклеотидной последовательности тРНК. В 1965 г. Р. Холли и его сотрудники установили полную нуклеотидную последовательность аланиновой тРНК дрожжей; в 1967 г. А.А. Баев и сотрудники установили последовательность нуклеотидов валиновой тРНК дрожжей. А. Рич и др. (1975–1977 гг.) провели полную расшифровку пространственной структуры фенилаланиновой тРНК на основе рентгенограмм с разрешением до 0,4 нм. Вторичная структура тРНК в плоском изображении имеет вид клеверного листа. тРНК содержит 4 двухцепочечных спиральных участка, 3 из которых являются "шпильками", несущими петли из неспаренных нуклеотидов; 3'- и 5'-концы полинуклеотидной цепи объединены в наиболее длинный спиральный участок, образованный водородными связями между азотистыми основаниями и завершающийся неспаренным тринуклеотидом ССА, Кроме четырех основных ветвей, более длинные тРНК содержат короткую пятую, или дополнительную, ветвь. Две из основных ветвей непосредственно обеспечивают функцию тРНК как адалтора (между двадцатибуквенным кодом белков и четырехбуквенным кодом нуклеиновых кислот). Антикодоновая ветвь имеет антикодон, представляющий собой специфический триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК и способный образовывать с ним пары оснований. Акцепторная ветвь присоединяет специфическую аминокислоту за счет образования эфирной связи между ее карбоксильной группой и гидроксильной группой 3'-концевого остатка аденина в тРНК, Две другие главные ветви тРНК называются дигидроуридиловая ветвь и ТψС-ветвъ. Первая содержит необычный нуклеозид дигидроуридин, а вторая – нуклеозиды псевдоуридин (ψ) и риботимидин (Т), обычно не присутствующие в составе РНК.

Исследования структуры  тРНК методом рентгеноструктурного анализа показали, что их нативные молекулы имеют компактную форму; отдельные двухспиральные "шпильки" клеверного листа складываются в специфическую третичную структуру, которая является близкой для всех тРНК.

После ферментативной этерификации свободной 3'-гидроксигруппы концевого остатка адениловой кислоты в последовательности ССА специфической в отношении тРНК аминокислотой образуется активная форма, называемая аминоацил-тРНК. Остаток этой аминокислоты переносится к концу растущей полипептидной цепи. Антикодон обеспечивает специфичность взаимодействия тРНК с мРНК. Боковые петли, видимо, играют важную роль в связывании тРНК с аминоацил-тРНК-синтетазой и с комплексом рибосома – мРНК. Аддукты аминоцил – тРНК располагаются в определенной последовательности, связанной с последовательностью кодонов мРНК.

Структура транспортной РНК

Матричная РНК составляет незначительную часть (3–10 %) всех клеточных  РНК; молекулярная масса колеблется в широких пределах и доходит  до 14–10 . Она программирует синтез всех клеточных белков цитоплазмы. Относительное содержание индивидуальной мРНК в суммарном препарате РНК может составлять тысячные доли процента. Первые экспериментальные доказательства существования мРНК получили А.Н. Белозерский, А.С. Спирин и их сотрудники (1957–1960 гг.). Они показали, что нуклеотидный состав общей РНК бактерий E. coli коррелирует с составом их ДНК, и пришли к заключению о наличии, по крайней мере, двух типов РНК, один из которых (большая фракция) имеет состав, не отражающий состава ДНК, а второй (меньшая фракция) воспроизводит состав ДНК. В дальнейшем выяснилось, что первая фракция – это рибосомная РНК, а вторая – мРНК. Но это сделали в 1961 г. Ф. Гросс и сотрудники.

Если рРНК и тРНК метаболически  устойчивы, то мРНК в большинстве  случаев, особенно у прокариот, является относительно короткоживущей. Ее нуклеотидный состав близок к составу ДНК, выделенной из того же организма. мРНК имеют отчетливо выраженную вторичную структуру; в состав двухцепочечных участков включено до 75% всех нуклеотидных последовательностей мРНК. Значительная часть участков вторичной структуры в мРНК идентифицирована "шпильками". Однако роль участков вторичной структуры в реализации матричных функций пока точно не установлена. Предполагается, что "шпильки" играют роль специфических структур, обусловливающих узнавание определенных участков рибосом при их связывании с мРНК.

Если рРНК и тРНК относятся  к обслуживающему аппарату белоксинтезирующей системы клетки, то мРНК является прямым посредником между ДНК и белками, играет роль матрицы для синтеза  последних, поэтому считают, что она играет роль мессенджера. Сама мРНК синтезируется в ядре клетки в процессе транскрипции, в ходе которой нуклеотидная последовательность одной из цепей хромосомной ДНК ферментативным путем "переписывается" (транскрибируется) с образованием предшественника пре-мРНК; последняя имеет копии палиндромов ДНК, поэтому ее вторичная структура содержит шпильки и линейные участки. При созревании пре-мРНК шпильки отсекаются ферментами, и образуется мРНК.

2. Механизмы передачи генетической информации: репликация, транскрипция и трансляция.

Репликация (досл. «удвоение» ДНК) – это многоэтапный, упорядоченный процесс, идущий по матрице ДНК в направлении 5`à3`, в результате которого из каждой молекулы ДНК образуется 2 абсолютно идентичные, «дочерние» ДНК. С репликации ДНК начинается процесс деления клетки. Репликация ДНК начинается на многих участках (репликативных единицах) и идет одновременно по обеим цепям.

Репликация идет полуконсервативным путем: у каждой дочерней ДНК одна из цепей –  исходная (материнская), а вторая вновь образованная (дочерняя) (опыты Мезельсона и Сталя). В процессе репликации участвует около 30 белков и ферментов, образующих репликативный комплекс: расплетающие ферменты (хеликаза и ДНК-топоизомеразы), ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, ДНК-зависимые РНК-полимеразы.

В геноме человека репликация происходит в течение 9 часов. Это необходимо для образования  тетраплоидного генома из диплоидного  в реплицирующейся клетке. Для  репликации необходимо наличие множественных  мест репликации (репликативных единиц – их около 100).

1. Этапы репликации

1. Идентификация места начала репликации: оно находится вблизи регионов, богатых А-Т (ori-сайты). Таких сайтов должно быть не менее 100. В каждом сайте к ДНК присоединяются 4 молекулы особого белка – O-белка.
2. Раскручивание ДНК: в местах присоединения О-белков начинается локальное раскручивание ДНК, при этом образуются репликативные пузыри. В этом процессе участвуют хеликаза и ДНК-связывающий белок, обозначаемый как SSB-белок (от англ. single-strand binding protein). SSB-белок стабилизирует связь хеликазы с ДНК и поддерживает ДНК в раскрученном состоянии.
3. Образование репликативной вилки: при раскручивании происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями полинуклеотидных цепей, при этом происходит расхождение цепей и образуется репликативная вилка. 2 и 3 этапы ускоряет АТФ-зависимый комплекс ферментов, названный хеликазой (геликазой). На разделение каждой пары оснований требуется 2 АТФ. Кроме этого в раскручивании участвуют ДНК-топоизомеразы – АТФ-независимые ферменты. Каждая из разделенных цепей ДНК соединяется с ДНК-связывающим белком (SSB-белок), который препятствует обратному восстановлению цепей
4. Комплиментарная подстройка дНТФ к освободившимся пуриновым и пиримидиновым основаниям материнских цепей ДНК. При этом происходит отщепление от дНТФ молекул пирофосфатов (РР), а выделяющаяся энергия идет на образование фосфорнодиэфирных связей между дезоксирибозами и остатками фосфорной кислоты. Эту стадию ускоряет ДНК-полимеразы. У человека имеется 5 видов ДНК-полимераз: альфа (участвует в заполнении пробела и синтезе ретроградной (отстающей цепи), бета (участвует в репарации ДНК), эпсилон (обеспечивает правильность считывания информации и в репарации ДНК), гамма (участвует в синтезе митохондриальных ДНК), сигма (участвует в синтезе ведущей (лидирующей) цепи). Синтез новых цепей идет в направлении 5à3, поэтому на одной из цепей материнской ДНК новая цепь наращивается непрерывно. На другой цепи образуются короткие фрагменты новой цепи – фрагменты Оказаки. Затем концы этих фрагментов соединяются (сшиваются) между собой под действием ДНК-лигазы. 
5. респирализация полинуклеотидных цепей и образование третичной и четвертичной структур ДНК.

Т.о., происходит образование дочерней молекулы ДНК. Затем делится ядро, цитоплазма, другие клеточные структуры. Заканчивается процесс образованием 2-х дочерних клеток, ядра которых получили совершенно идентичные ДНК. Т.о., вся генетическая информация, хранящаяся в ДНК материнских клеток, передается в ДНК дочерних клеток. В этом заключается передача и сохранение наследственных признаков.

Вторая роль ДНК заключается в кодировании первичной структуры белков, синтезируемых клеткой. При этом в синтезе специфических белков ДНК принимает косвенное, а не прямое участие. Оно состоит в том, что на ДНК происходит синтез всех РНК, которые уже непосредственно участвуют в процессе образования клеточных белков. Синтез молекул РНК называется транскрипцией.

Репликация происходит только в определенный период жизни  клетки. Этот период является S-фазой клеточного цикла. S-фаза отделяется от митоза G1 и G2-промежутками. В ходе G1 клетка подготавливается к S-фазе; в G2 клетка подготавливается к митозу. Все эукариотические клетки имеют особые белки, которые контролируют переход одной фазы клеточного цикла в другую. К таким белкам-регуляторам относятся циклины. Эти белки активируют циклин-зависимые протеин-киназы – ферменты, которые фосфорилируют субстраты, необходимые для клеточного цикла. Различают Д-циклины, которые способствуют переходу клетки из G1 в S-фазу; Е- и А-циклины, которые инициируют репликацию в ранней S-фазе; В-циклины способствуют переходу G2 в митоз. Многие онковирусы и онкогены способны нарушать переход клетки из G1 в S-фазу. Это сопровождается неконтролируемым делением клетки.

Транскрипция (досл. «переписывание» информации с ДНК на РНК)

При транскрипции идет синтез молекул РНК всех типов, т.к. на молекуле ДНК имеются участки, кодирующие первичную структуру  каждого вида РНК. Участок ДНК, где  записана информация о строении РНК, называется транскриптон, или оперон. Транскрипция – это переписывание генетической информации с определенного оперона ДНК. Этот процесс имеет как сходства, так и различия с репликацией.

Сходства: 1) оба процесса начинаются с деспирализации ДНК; 2) после деспирализации разрываются водородные связи между азотистыми основаниями обеих цепей ДНК и образуется репликативная вилка; 3) за счет разрыва макроэргических связей при отщеплении пирофосфатов идет образование фосфодиэфирных связей между азотистыми основаниями.

Отличия: 1) при репликации ДНК деспирализуется на всем протяжении, а при транскрипции только определенный ее участок, который называетсятранскриптоном. В транскриптоне различают ген-оператор, ген-промотор, структурные гены и терминирующие гены; 2) при транскрипции используются НТФ (в отличие от дНТФ в них рибоза вместо дезоксирибозы; урацил вместо тимина); 3) при транскрипции списывание информации идет только с определенного транскриптона; 4) полимеразная реакция при транскрипции катализируется РНК-полимеразой. Различают три вида РНК-полимеразы, которые обозначаются римскими цифрами. Каждый вид фермента катализирует синтез одного из трех видов РНК. РНК-полимераза присоединяется к гену-промотору. Для активности этого фермента необходим дополнительный белковый фактор (сигма-фактор), который способствует более прочному связыванию РНК-полимеразы с промотором. Синтез РНК происходит в направлении 5`à3`. По мере освобождения промотора к нему могут присоединяться новые молекулы РНК-полимеразы, так что ген может транскрибироваться одновременно большим количеством молекул фермента. При достижении ферментом терминирующего кодона, синтезированная пре-РНК отделяется от ДНК. В этом процессе участвует особый белковый фактор – ро-фактор; 5)  посттранскрипционная модификация молекул пре-РНК (процессинг РНК).

Для нормального  функционирования любой РНК необходимо, чтобы ее первичная структура  состояла только из участков, списанных  с экзонов ДНК. Первоначально  образованные РНК еще незрелые и  называются пре-м-РНК, пре-т-РНК, пре-р-РНК. Эти пре-РНК подвергаются процессингу. Вначале с участием специальных ферментов вырезаются «молчащие» участки, а затем информативные  участки «сшиваются», образуя целую полинуклеотидную цепь. «Сшивание» называется сплайсингом. Последующие превращения специфичны для каждого вида РНК.

Для м-РНК – это кэпирование или «надевание шапочки», т.е присоединение к начальному концу (к 5’) участку 7-метилгуанозина через три остатка фосфорной кислоты, это «голова» м-РНК. К конечному участку (к 3’) в ядре или в цитоплазме присоединяется полиаденилат (состоит из 100-200 остатков АМФ), образуется «хвост» м-РНК. Такая маркировка необходима для обозначения направления считывания информации в процессе биосинтеза  белка.

Для т-РНК Молекулы т-РНК вначале образуются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы т-РНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу. После освобождения от неинформативных участков в т-РНК происходит модификация оснований – появляются минорные основания (в результате метилирования и др. реакций). К 3` концу т-РНК в цитоплазме присоединяется ЦЦА-триплет. Он служит местом прикрепления соответствующей аминокислоты.

Для р-РНК  Процессинг этого вида РНК происходит в ядрышке. Пре-рРНК в ядрышке  подвергается метилированию.

Все типы зрелых РНК затем соединяются с белком, который защищает их от разрушения, улучшает транспортировку в цитоплазму.

Ошибки процессинга  могут вызывать некоторые заболевания, например, определенные виды талассемии.

Трансляция (досл. «перевод» информации, записанной на иРНК в последовательность аминокислот синтезируемых молекул белка)

Это перевод  генетической информации, хранящейся в и-РНК в виде определенной последовательности кодонов в линейную последовательность аминокислот п/п цепи белка. Этот процесс можно разделить на 5 стадий:

1)    узнавание и активация аминокислоты (происходит в цитоплазме клеток);

2)    образование инициирующего комплекса;

3)    элонгация, т.е. удлинение п/п цепи;

4)    терминация (окончание роста п/п цепи) и отделение ее от рибосомы.

5)    Образование нативной структуры белка.

Узнавание аминокислоты. Происходит в цитозоле постоянно, необходимы: набор аминокислот, т-РНК, связанные с ними специфические для каждой аминокислоты АРС-азы и ионы магния как  активаторы этих ферментов. Процесс активации состоит из 2-х реакций: 1) образование аминоациладенилата за счет энергии АТФ