g_ryurikov: (Default)
[personal profile] g_ryurikov

XIX
Транскрипция и трансляция


Теперь, наконец-то, мы можем рассмотреть механизм реализации наследственной информации — каким именно образом информация, заключённая в последовательности нуклеотидов ДНК, используется для синтеза белков. Разумным выглядит предположение, что ДНК в процессе сборки полипептидной цепи непосредственно выполняет роль матрицы, только собирать на этой матрице придётся не другую полинуклеотидную цепь, а полипептидную, используя вместо принципа комплементарности генетический код. Но это неверно, и на деле всё обстоит немного сложнее. Матицей для синтеза белков выступает не ДНК, а РНК, которая, в свою очередь, синтезируется на матрице ДНК. Таким образом, в процессе передачи информации «ДНК — белок» имеется «посредник» — молекула РНК. Утверждение о том, что генетическая информация переносится именно по этой схеме «ДНК — РНК — белок», носит громкое название центральной догмы молекулярной биологии.




Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Молекулы РНК намного короче молекул ДНК, с одной молекулы ДНК может «считываться» множество молекул РНК. Это значит, что на ДНК должно быть множество участков, с которых будет начинаться транскрипция — «посадочных площадок» для РНК-полимеразы (фермента, который будет синтезировать РНК). Эти участки называются промоторами. Дальше всё стандартно — РНК-полимераза, двигаясь вдоль одной из цепей ДНК, собирает комплементарную ей цепь РНК. Так же, как и в репликации, полимераза движется по цепи ДНК в направлении 3’-5’. Так как синтезируется только одна цепь, сложностей, имевших место в репликации (отстающая цепь, фрагменты Оказаки), здесь не будет. Цепь ДНК, по которой двигается РНК-полимераза, называется матричной (template strand), или антисмысловой (antisense strand). Вторая цепь ДНК, комплементарная матричной, имеет такую же последовательность нуклеотидов, как и в синтезируемой молекуле РНК (разумеется, с поправкой на замену тиминов урацилами), и за это называется смысловой цепью (sense strand, non-template strand).




Ну, теперь, наконец-то, можно рассмотреть сам процесс синтеза белка. Процесс сборки полипептидной цепи на матрице РНК называется трансляцией. Осуществлять этот процесс будет сложная молекулярная машина — рибосома. Рибосома, как мы помним, — это агрегат из двух субъединиц, состоящих из специальных рибосомных белков и специальных рибосомных РНК (рРНК). Причём рРНК по большей части определяет и структуру, и функции рибосомы; рибосомные белки, в общем, играют вспомогательную роль.




Молекулы рРНК, конечно же, тоже синтезируются на матрице ДНК в процессе транскрипции, но это, понятное дело, не та РНК, в которой закодирована последовательность аминокислот в белках. РНК, несущая информацию о строении полипептидной цепи, называется информационной РНК — иРНК (по-английски она messenger RNA — mRNA, по-русски иногда ещё её называют матричной РНК — тогда в сокращении тоже появляется буковка «м»).

Таким образом, несколько утрируя, можно сказать, что в процессе трансляции одна РНК (рРНК) осуществляет синтез белка с использованием информации, заключённой в другой РНК (иРНК).

Рибосомы как бы «нанизываются» на иРНК и начинают «ползти» по ней, считывая информацию и синтезируя полипептидную цепь. Движется рибосома по иРНК в направлении 5’-3’. Как же происходит это считывание, как устанавливается соответствие между кодирующим триплетом на иРНК и присоединяемой аминокислотой? Здесь на помощь приходит ещё один специальный класс молекул, которые «подносят» аминокислоты к месту сборки полипептида, причём умудряются подносить те самые аминокислоты, которые в данный момент нужны. И эти молекулы, что любопытно, — тоже молекулы РНК (транспортная РНК, тРНК).

Молекулы тРНК небольшие, длиной 70-90 нуклеотидов, и имеют своеобразную структуру. На цепочке тРНК некоторые участки оказываются взаимно комплементарными друг другу, и поэтому они соединяются водородными связями, образуя так называемые шпильки. Комплементарные части образуют стебель шпильки; части, которые ничему не комплементарны, в свою очередь образуют петлю. Если не учитывать, что двойные цепочки ещё закручиваются в спираль, строение тРНК можно представить таким образом:




В состав тРНК могут входить нуклеотиды с «необычными» основаниями. Например, греческой буковкой «Ψ» (пси) обозначается псевдоуридин (изомер уридина — нуклеозида с урацилом). Молекула тРНК имеет три петли, благодаря чему её часто сравнивают с клеверным листом. Хотя на самом деле, как мы понимаем, всё немного сложнее, так как цепи в шпильках закручены друг относительно друга в спираль:




В центральной петле тРНК есть три нуклеотида, которые составляют антикодон. Этим участком тРНК может комплементарно соединяться с соответствующим триплетом на иРНК (кодон). Но не просто так, а при условии, что с кодоном в данный момент связана рибосома.

К 3’-концу тРНК может быть присоединена какая-то аминокислота (вместе такой комплекс будет называться аминоацил-тРНК). Нам, конечно, нужна не какая попало аминокислота, а та, которая кодируется соответствующим кодоном. Это значит, что тРНК с определённым антикодоном должна связываться только с определённой, одной-единственной аминокислотой. Аминоацил-тРНК-синтетаза (фермент, присоединяющий аминокислоту к тРНК), распознаёт «подходящую» тРНК (она может «смотреть» как на антикодон, так и на другие фрагменты тРНК), и при условии, что тРНК «правильная», переносит аминокислоту на неё.

По отношению к рибосоме «проезжаемый» ей в данный момент кодон (и, соответственно, тРНК, присоединённая к нему антикодоном) может занимать три разных положения: А-сайт (aminoacyl site), P-сайт (peptidyl site) и E-сайт (exit site).




Присоединение тРНК с аминокислотой происходит в А-сайте, затем рибосома сдвигается и тРНК оказывается в P-сайте. А-сайт теперь свободен, и может присоединиться новая тРНК с «подходящей» к соответствующему кодону аминокислотой. После этого рибосома соединяет две аминокислоты, перенося предыдущую из P-сайта в А-сайт. Далее рибосома сдвигается, и «осиротевшая» тРНК оказывается в E-сайте, откуда она благополучно отсоединяется и уходит. А А-сайт снова оказывается свободен, и так далее.




Первой аминокислотой, с которой рибосома начинает сборку полипептида, обычно является метионин. Он кодируется так называемым старт-кодоном — АУГ. Как видим, при условии, что с рибосомой всё время связываются молекулы тРНК, антикодоны которых комплементарны находящемуся в A-сайте кодону (и несущую соответствующую ему аминокислоту), последовательно выстраивается полипептидная цепь, замечательным образом соответствующая тому, что закодировано на иРНК. Когда рибосома «доезжает» до одного из стоп-кодонов, процесс останавливается, так как с ним не может соединиться ни одна тРНК. Рибосомные субъединицы отсоединяются от иРНК, синтезированная полипептидная цепь высвобождается — её синтез завершён. Теперь ей осталось только сформировать положенную вторичную, третичную и четвертичную структуры. Далее готовый белок направится туда, где он необходим.

Итак, вот перед нами молекулярная машинерия, обеспечивающая синтез «правильных» белков, тех самых, последовательность которых закодирована у нас в виде последовательности нуклеотидов. Для переноса информации на пути ДНК-белок, как мы видели, используются различные молекулы РНК, выполняющие разнообразные функции. Поначалу молекулы РНК считались «вспомогательными» героями в этой истории. Представление об абсолютной необходимости иметь одновременно и ДНК (содержащую информацию о белках-ферментах), и ферменты (чтобы копировать эту ДНК), порождало «замкнутый круг»: в контексте вопроса о происхождении жизни невозможно было ответить на вопрос, что появилось раньше. Белки согласно центральной догме собираются только на основе информации из ДНК, но ДНК без белков не может обеспечить копирование себя. Разорвать порочный круг «яйца и курицы» помогли именно свойства РНК: ещё в шестидесятые годы было высказано предположение, что молекулы РНК могут обладать каталитической активностью (в частности, благодаря возможности образовывать сложные разнообразные вторичные и третичные структуры — когда комплементарно связываются участки одной и той же молекулы). По аналогии с ферментами (англ. enzyme — энзим) такие РНК были названы рибозимами. В восьмидесятые годы существование каталитической активности РНК было подтверждено, в том числе созданы РНК, катализирующие собственную сборку (автокатализ). РНК могут, разумеется, служить и хранилищем наследственной информации (чуть менее эффективно, чем ДНК, так как они менее устойчивы). Всё это позволило выдвинуть так называемую гипотезу РНК-мира, согласно которой «вначале» были именно молекулы РНК, бывшие одновременно и «книгами», и «читателями» — то есть сами обеспечивали воспроизведение своих копий. Впоследствии функция «читателей-исполнителей» была делегирована белкам, а функция «хранителей информации» — молекулам ДНК.

Аргументы в пользу этой гипотезы не сводятся только к каталитическим возможностям РНК. Дело в том, что функции РНК даже в нынешних живых организмах подозрительно разнообразны. Как мы видели, в процессе синтеза белка фактически один тип РНК (рРНК) осуществляет сборку полипептида, используя информацию, зашифрованную в РНК другого типа (иРНК), и «декодеры», обеспечивающие соответствие присоединяемых аминокислот кодонам — молекулы РНК ещё одного типа (тРНК). Это ещё не всё. Мы знаем, что без РНК не обходится и копирование ДНК (необходимы РНК-праймеры). Наконец, основным источником энергии в клетках являются, как мы помним, именно рибонуклеотиды — в первую очередь АТФ. Также и кучу других важных и при этом совсем различных функций выполняют именно рибонуклеотиды — например, входят в состав коферментов (НАД, кофермент А и др.). Есть ещё так называемые «малые РНК», выполняющие кучу других интересных функций. Иными словами — РНК на РНК сидит и РНК погоняет.

Дополнительные ссылки:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Центральная_догма_молекулярной_биологии_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Биосинтез_белка_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Транскрипция_(биология)_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансляция_(биология)_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Рибосома_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Шпилька_(биология)_
https://ru.wikipedia.org/wiki/ТРНК_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гипотеза_мира_РНК_
https://ru.wikipedia.org/wiki/Рибозимы_
http://galicarnax.livejournal.com/24409.html
https://www.youtube.com/watch?v=Ikq9AcBcohA
https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA
https://www.youtube.com/watch?v=z2QsRFPOT8k

(продолжение следует)

Введение в биологию — оглавление
From:
Anonymous( )Anonymous This account has disabled anonymous posting.
OpenID( )OpenID You can comment on this post while signed in with an account from many other sites, once you have confirmed your email address. Sign in using OpenID.
User
Account name:
Password:
If you don't have an account you can create one now.
Subject:
HTML doesn't work in the subject.

Message:

 
Notice: This account is set to log the IP addresses of everyone who comments.
Links will be displayed as unclickable URLs to help prevent spam.

July 2017

S M T W T F S
      1
2345 678
9 1011 12 1314 15
1617 1819202122
23242526272829
3031     

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Jul. 22nd, 2017 08:54 am
Powered by Dreamwidth Studios