Взаимодействие и строение ИРНК, ТРНК, РРНК — трех основных нуклеиновых кислот, рассматривает такая наука, как цитология. Она поможет выяснить, какова роль транспортной (ТРНК) в клетках. Эта очень маленькая, но в то же время неоспоримо важная молекула принимает участие в процессе комбинирования белков, из которых состоит организм.
Каково строение ТРНК? Очень интересно рассмотреть «изнутри» это вещество, узнать его биохимию и биологическую роль. А также, как строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны?
Что такое ТРНК, как она устроена?
Транспортная рибонуклеиновая кислота участвует в построении новых белков. Почти 10 % всех рибонуклеиновых кислот — транспортные. Чтобы было понятно, из каких химических элементов образована молекула, расскажем строение вторичной структуры ТРНК. Вторичная структура рассматривает все основные химические связи между элементами.
Состоящая из полинуклеотидной цепи. Азотистые основания в ней связаны водородными связями. Как и в ДНК, РНК имеет 4 азотистые основания: аденин, цитозин, гуанин, и урацил. В этих соединениях аденин всегда связан с урацилом, а гуанин, как обычно, с цитозином.
Почему нуклеотид имеет приставку рибо-? Просто все линейные полимеры, имеющие рибозу вместо пентозы в основании нуклеотида, называются рибонуклеиновыми. А транспортная РНК - это один из 3 видов именно такого, рибонуклеинового полимера.
Строение ТРНК: биохимия
Заглянем в самые глубокие слои строения молекулы. Эти нуклеотиды имеют 3 составляющие:
- Сахароза, во всех видах РНК участвует рибоза.
- Фосфорная кислота.
- Азотистые и пиримидины.
Азотистые основания соединяются между собой крепкими связями. Принято разделять основания на пуриновые и пиримидиновые.
Пурины - это аденин и гуанин. Аденину соответствует адениловый нуклеотид из 2 взаимосвязанных колец. А гуанину — соответствует такой же «однокольцовый» гуаниновый нуклеотид.
Пирамидины — это цитозин и урацил. Пиримидины имеют структуру из одного кольца. Тимина в РНК нет, так как его заменяет такой элемент, как урацил. Это важно понять, прежде чем обращать внимание на другие особенности строения ТРНК.
Виды РНК
Как видим, строение ТРНК кратко не описать. Нужно углубиться в биохимию, чтобы понять назначение молекулы и ее истинную структуру. Какие еще известны рибосомные нуклеотиды? Различают также матричную или информационную и рибосомную нуклеиновые кислоты. Сокращенно ИРНК и РРНК. Все 3 молекулы тесно сотрудничают в клетке друг с другом, чтобы организм получал правильно структурированные глобулы белка.
Невозможно представить работу одного полимера без помощи 2 других. Особенности строения ТРНК становятся более понятны, когда рассматриваются во взаимосвязи с функциями, которые напрямую связаны с работой рибосом.
Строение ИРНК, ТРНК, РРНК во многом похожи. Все имеют в основании рибозу. Однако структура и функции у них разные.
Открытие нуклеиновых кислот
Швейцарцем Иоганном Мишером были найдены в ядре клетки в 1868 году макромолекулы, названные нуклеинами впоследствии. Название «нуклеины» происходит от слова (nucleus) - ядро. Хотя немного позже было установлено, что у одноклеточных существ, не имеющих ядра, эти вещества также присутствуют. В середине XX века получена Нобелевская премия за открытие синтеза нуклеиновых кислот.
в синтезе белка
Само название — транспортная РНК говорит об основной функции молекулы. Эта нуклеиновая кислота «привозит» с собой необходимую аминокислоту, требуемую рибосомной РНК для создания конкретного белка.
У молекулы ТРНК функций немного. Первая — распознавание кодона ИРНК, вторая функция — это доставка строительных «кирпичиков» — аминокислот для синтеза белка. Еще некоторые специалисты выделяют акцепторную функцию. То есть присоединение по ковалентному принципу аминокислот. Помогает «прикрепить» эту аминокислоту такой фермент, как аминоцил-ТРНК-синтатаз.
Как строение ТРНК связано с ее функциями? Эта особенная рибонуклеиновая кислота устроена так, что на одной ее стороне имеются азотистые основания, которые всегда соединяются попарно. Это известные нам элементы — А, У, Ц, Г. Ровно 3 «буквы» или азотистые основания, составляют антикодон — обратный набор элементов, который взаимодействует с кодоном по принципу комплементарности.
Эта важная особенность строения ТРНК гарантирует, что ошибок при декодировании матричной нуклеиновой кислоты не будет. Ведь от точной последовательности аминокислот зависит правильно ли синтезируется нужный организму в настоящее время белок.
Особенности строения
Каковы особенности строения ТРНК и ее биологическая роль? Это очень древняя структура. Ее размеры где-то 73 - 93 нуклеотида. Молекулярная масса вещества - 25 000-30 000.
Строение вторичной структуры ТРНК можно разобрать, изучив 5 основных элементов молекулы. Итак, состоит эта нуклеиновая кислота из таких элементов:
- петля для контакта с ферментом;
- петля для контакта с рибосомой;
- антикодоновая петля;
- акцепторный стебель;
- сам антикодон.
И также выделяют малую вариабельную петлю во вторичной структуре. Одно плечо у всех видов ТРНК одинаково — стебель из двух остатков цитозина и одного — аденозина. Именно в этом месте происходит связь с 1 из 20 имеющихся в наличии аминокислот. Для каждой аминокислоты предназначен отдельный фермент — свой аминоацил-тРНК.
Вся информация, которая шифрует строение всех содержится в самой ДНК. Строение ТРНК у всех живых существ на планете практически идентичное. Она будет выглядеть, как лист, если рассматривать ее в 2-D формате.
Однако если взглянуть объемно, то молекула напоминает L-образную геометрическую структуру. Это считается третичная структура ТРНК. Но для удобства изучения ее принято визуально «раскручивать». Третичная структура образуется вследствие взаимодействия элементов вторичной структуры, тех частей, которые взаимокомплиментарны.
Плечи ТРНК или кольца играют важную роль. Одно плечо, например, необходимо для химической связи с определенным ферментом.
Характерной особенностью нуклеотида является наличие огромного числа нуклеозидов. Этих минорных нуклеозидов более 60 видов.
Строение ТРНК и кодирование аминокислот
Мы знаем, что антикодон ТРНК составляет 3 молекулы. Каждому антикодону соответствует определенная, «личная» аминокислота. Эта аминокислота соединена с молекулой ТРНК с помощью специального фермента. Как только 2 аминокислоты объединяются, связи с ТРНК распадаются. Все химические соединения и ферменты нужны до необходимого времени. Именно так взаимосвязаны строение и функции ТРНК.
Всего в клетке присутствует 61 тип таких молекул. Математических вариаций может быть 64. Однако 3 вида ТРНК отсутствуют по причине того, что именно такое количество стопкодонов в ИРНК не имеет антикодонов.
Взаимодействие ИРНК и ТРНК
Рассмотрим взаимодействие вещества с ИРНК и РРНК, а также особенности строения ТРНК. Структура и назначение макромолекулы взаимосвязаны.
Структура ИРНК копирует информацию с отдельного участка ДНК. Сама ДНК слишком крупное соединение молекул, и она никогда не выходит из ядра. Поэтому нужна посредническая РНК — информационная.
На основе последовательности молекул, которые скопировала ИРНК, рибосома строит белок. Рибосома — это отдельная полинуклеотидная структура, строение которой нужно разъяснить.
Рибосомная ТРНК: взаимодействие
Рибосомная РНК это огромная органелла. Ее молекулярный вес 1 000 000 - 1 500 000. Почти 80 % всего количества РНК — именно рибосомные нуклеотиды.
Она как бы захватывает цепь ИРНК и ждет антикодонов, которые принесут с собой молекулы ТРНК. Состоит рибосомная РНК из 2 субъединиц: малой и большой.
Рибосому называют «фабрикой», поскольку в этой органелле и происходит весь синтез нужных для повседневной жизни веществ. Это также очень древняя структура клетки.
Как происходит синтез белка в рибосоме?
Строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны. Расположенный антикодон на одной из сторон рибонуклеиновой кислоты подходит по своей форме для основной функции — доставки аминокислот к рибосоме, где происходит поэтапное выстраивание белка. По сути, ТРНК выполняет роль посредника. Ее задача лишь принести необходимую аминокислоту.
Когда информация считывается с одной части ИРНК, рибосома движется дальше по цепи. Матрица нужна только для передачи кодированной информации о конфигурации и функции отдельно взятого белка. Далее подходит к рибосоме другая ТРНК со своими азотистыми основаниями. Она также декодирует следующую часть ИРНК.
Декодирование происходит следующим образом. Азотистые основания объединяются по принципу комплементарности точно так же, как в самой ДНК. Соответственно, ТРНК видит, куда ему нужно «причалить» и в какой «ангар» отправить аминокислоту.
Затем в рибосоме выбранные таким способом аминокислоты химически связываются, шаг за шагом формируется новая линейная макромолекула, которая после окончания синтеза закручивается в глобулу (шар). Использованные ТРНК и ИРНК, выполнив свою функцию, удаляются от «фабрики» белка.
Когда первая часть кодона соединяется с антикодоном, определяется рамка считывания. Впоследствии, если происходит по каким-то причинам сдвиг рамки, то какой-то признак белка будет бракован. Рибосома же не может вмешаться в этот процесс и решить проблему. Только после завершения процесса 2 субъединицы РРНК снова объединяются. В среднем на каждые 10 4 аминокислот приходится по 1 ошибке. На 25 уже собранных белков обязательно встречается хоть 1 ошибка репликации.
ТРНК как реликтовые молекулы
Так как ТРНК, возможно, существовали во времена зарождения жизни на земле, ее называют реликтовой молекулой. Считается, что РНК первейшая структура, которая существовала до ДНК, а затем эволюционировала. Гипотеза мира РНК — сформулирована в 1986 году лауреатом Уолтером Гильбертом. Однако доказать это пока сложно. В защиту теории выступают очевидные факты — молекулы ТРНК в состоянии хранить блоки информации и как-то реализовывать эти сведения, то есть выполнять работу.
Но противники теории утверждают - небольшой период жизни вещества не может гарантировать, что ТРНК хороший носитель любой биологической информации. Эти нуклеотиды быстро распадаются. Срок жизни ТРНК в клетках человека колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Некоторые виды могут продержаться до суток. А если говорить о таких же нуклеотидах в бактериях, то тут сроки намного меньше — до нескольких часов. К тому же строение и функции ТРНК слишком сложны, чтобы молекула могла стать первичным элементом биосферы Земли.
Транспортная (растворимая) РНК Низкомолекулярная молекула РНК, выполняющая адапторные функции по специфическому переносу аминокислот к растущим полипептидным цепям в процессе трансляции; тРНК обладают характерной вторичной структурой в виде… …
ТРНК. См. растворимая РНК. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) …
тРНК - транспортная рибонуклеиновая кислота транспорт … Словарь сокращений и аббревиатур
Структура транспортной РНК Транспортная РНК, тРНК рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза … Википедия
Большой медицинский словарь
См. Рибонуклеиновая кислота транспортная … Медицинская энциклопедия
тРНК-нуклеотидилтрансфераза - Фермент, осуществляющий присоединение триплета ЦЦА к 3 концам тРНК II типа (т.е. тРНК, предшественники которых лишены этого триплета часть тРНК прокариот и, видимо, все тРНК эукариот). [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика
тРНК-подобный участок - * тРНК падобны ўчастак * tRNA like segment концевой участок нуклеиновой кислоты некоторых РНК содержащих вирусов, способный аминоацилироваться и взаимодействовать с некоторыми специфическими ферментами. В отличие от типичной тРНК, в составе тРНК… … Генетика. Энциклопедический словарь
тРНК-подобный участок - Концевой участок нуклеиновой кислоты некоторых РНК содержащих вирусов, способный аминоацилироваться аминокислотой и взаимодействовать с некоторыми специфическими ферментами; в отличие от тРНК в составе тРНК п.у. не найдено редких оснований,… … Справочник технического переводчика
TRNA nucleotidyl transferase тРНК нуклеотидилтрансфераза. Фермент, осуществляющий присоединение триплета ЦЦА к 3 концам тРНК II типа (т.е. тРНК, предшественники которых лишены этого триплета часть тРНК прокариот и, видимо, все тРНК эукариот).… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
Книги
- Физика скрытых параметров: , И. Богданов. В работе устранены противоречия, мешающие получению признания физики скрытых параметров, созданной на основе теории электрических полей вращений. Найдено доказательство постулатов Бора,…
Учебника. Несмотря на то, что тРНК значительно мельче, рассказ о ее строении, особенностях и функционировании заслуживает отдельной главы.
Итак, тРНК является «адаптером», который одним своим концом распознает трехбуквенную последовательность генетического кода, сопоставляя ей единственную соответствующую аминокислоту, закрепленную на другом конце тРНК. На прикасающемся к матричной РНК конце транспортной РНК находятся 3 нуклеотида, образующие антикодон . Только в случае комплементарности антикодона к участку мРНК транспортная РНК может к ней присоединиться. Но даже в этом случае тРНК не может присоединиться к мРНК самостоятельно, ей необходима помощь рибосомы, которая является местом их взаимодействия, а также активным участником трансляции. Например, именно рибосома создает связи между принесенными тРНК аминокислотами, формируя протеиновую цепочку.
Особенности строения тРНК обусловлены генетическим кодом, то есть правилами построения протеина по гену, которые транспортная РНК прочитывает. Этот код работает в каждом из живущих на Земле существ: создание вируса записано теми же трехбуквенными кодонами, которые используются для записи «инструкции по сборке» дельфина. Экспериментально проверено, что гены одного живого существа, помещенные в клетку другого, отлично копируются и транслируются в протеины, не отличимые от воспроизводящихся в клетках хозяина генов. На единообразии генетического кода основано производство колониями модифицированных кишечных палочек инсулина и многих других человеческих ферментов, использующихся в качестве лекарств для людей, чей организм не способен их вырабатывать, или вырабатывает недостаточно. Несмотря на очевидную разницу между человеком и кишечной палочкой, протеины человека легко создаются по его чертежам с помощью копировального аппарата кишечной палочки. Неудивительно, что транспортные РНК разных существ отличаются весьма незначительно.
Каждый кодон из этого списка, за исключением трех стоп-кодонов , дающих сигнал о завершении трансляции, должен распознаваться транспортной РНК. Узнавание осуществляется с помощью присоединения к матричной РНК антикодона, который может связаться только с одним кодоном из списка, поэтому тРНК может распознать только один кодон. А значит, в клетке существует как минимум 61 вид этих молекул. На самом деле их даже больше, так как в некоторых ситуациях для считывания матричной РНК недостаточно просто иметь нужный антикодон: требуется выполнение других условий, в соответствии с которыми создается особая, модифицированная тРНК.
На первый взгляд, такое разнообразие тРНК должно существенно осложнять процесс трансляции: ведь каждая из этих молекул будет проверять подставленный ей рибосомой кодон матричной РНК на соответствие своему антикодону — казалось бы, столько бессмысленной механической работы, столько впустую затраченного времени и энергии. Но в результате эволюции сформировались также и клеточные механизмы, предотвращающие эту проблему. Например, количество тРНК каждого вида в клетке соответствует тому, как часто аминокислота, несомая этим видом, встречается в строящихся протеинах. Есть аминокислоты, которые редко используются клеткой, а есть часто использующиеся, и если бы количество несущих их тРНК было одинаковым, это значительно осложнило бы сборку протеинов. Поэтому «редких» аминокислот и соответствующих им тРНК в клетке мало, а часто встречающиеся производятся в большом количестве.
При таком разнообразии молекул тРНК все они очень похожи, поэтому рассматривая их строение и функции, в основном мы будем изучать общие для всех видов черты. Если взглянуть на трехмерную схему тРНК, она кажется плотным нагромождением атомов. Кажется невероятным, что эта сложнозакрученная молекула получена в результате сворачивания длинной цепи нуклеотидов, но именно так она и образуется.
Можно проследить этапы ее образования, начиная с самого первого: составления РНК-полимеразой последовательности нуклеотидов в соответствии с геном, содержащим информацию о данной транспортной РНК. Порядок следования друг за другом этих нуклеотидов и их количество называется первичной структурой тРНК . Получается, что именно первичная структура тРНК закодирована в гене, прочитываемом РНК-полимеразой. Вообще первичной структурой называют последовательность сравнительно простых молекул одного типа, из которых составлена более сложная, свернутая молекула-полимер. Например, первичной структурой молекулы протеина является простая последовательность составляющих ее аминокислот.
Любая цепочка нуклеотидов не может находиться в клетке в развернутом состоянии, просто вытянувшись в линию. На краях нуклеотидов находится слишком много положительно и отрицательно заряженных частей, которые легко образуют водородные связи друг с другом. Про то, как такие же связи образуются между нуклеотидами двух молекул ДНК, соединяя их в двойную спираль, рассказано в , а за подробностями о водородных связях можно залезть в . Водородные связи менее прочны, чем связи между атомами в молекулах, но их достаточно для того, чтобы причудливо скрутить нить тРНК и держать ее в таком положении. Сначала эти связи образуются только между некоторыми нуклеотидами, сворачивая тРНК в фигуру наподобие листа клевера. Результат этого начального свертывания называют вторичной структурой тРНК . На схеме слева видно, что только некоторые нуклеотиды связываются водородными связями, а другие остаются неспаренными, образуя кольца и петли. Различия между вторичной структурой разных видов тРНК обусловлены различиями в их первичной структуре. Проявляется это в разной длине «клеверных листов» или «стебелька» за счет разной длины исходной цепочки нуклеотидов.
Другим отличием первичной структуры разных тРНК является то, что только в некоторых позициях у них стоят одни и те же нуклеотиды (на схеме вверху они отмечены первыми буквами своих названий), большинство же нуклеотидов у разных тРНК отличаются друг от друга. Приведенная выше схема является общей для всех тРНК, поэтому отличающиеся нуклеотиды отмечены числами.
Главными функциональными частями тРНК являются:
=) антикодон , то есть последовательность нуклеотидов, комплементарная единственному кодону матричной РНК, находящаяся на антикодоновой шпильке
=) акцепторный конец , к которому может быть присоединена аминокислота. Он находится с противоположной стороны от антикодоновой шпильки.
В реальности ни одна тРНК не выглядит так, как на схеме вторичной структуры, потому что для ее образования соединились между собой только некоторые нуклеотиды, а остальные остались неспаренными. За счет образования водородных связей между нуклеотидами из разных частей листа клевера он сворачивается дальше в гораздо более сложную третичную структуру в форме буквы L. Ты можешь понять, как именно изогнулись разные части вторичной структуры для образования третичной, сопоставив цвета на их схемах ниже. Антикодоновая шпилька, обозначенная голубым и серым цветами, остается внизу (стоит помнить, что это «внизу» является условным: удобно изображать тРНК именно в такой пространственной ориентации в схемах трансляции белка), а акцепторный конец (желтого цвета) загнут в сторону.
Именно так выглядит тРНК, готовая к присоединению аминокислоты. Самостоятельно соединиться с аминокислотой тРНК не способна, для этого требуется участие специального фермента: аминоацил-тРНК-синтетазы . Число видов синтетаз в клетке совпадает с числом видов тРНК.
Единообразие формы всех видов тРНК необходимо для того, чтобы рибосома могла распознавать любую из них, способствовать их стыковке с мРНК, перемещать внутри себя из одного сайта в другой. Если бы разные виды тРНК существенно отличались друг от друга, это чрезвычайно затруднило бы работу рибосомы, критически снизив скорость синтеза протеина. Естественный отбор таким образом направлен на то, чтобы сделать тРНК похожими друг на друга. Но вместе с тем есть и другой фактор, требующий существования заметных различий между разными видами тРНК: ведь необходимо распознать каждый вид и прикрепить к нему единственную, соответствующую ему аминокислоту. Очевидно, что эти отличия должны быть хоть и заметными, но не слишком существенными, так что работа по распознаванию видов тРНК превращается в ювелирный процесс. И именно его осуществляют аминоацил-тРНК-синтетазы: каждая из них может связаться только с одной из 20 аминокислот и присоединить ее именно к тем видам тРНК, которые этой аминокислоте соответствуют. Из таблицы с генетическим кодом видно, что каждая аминокислота кодируется несколькими последовательностями нуклеотидов, поэтому например все четыре тРНК с антикодонами CGA, CGG, CGU и CGC будут распознаваться одной и той же синтетазой, присоединяющей к ним аланин. Такие обрабатываемые одной синтетазой тРНК называются родственными .
Синтетаза принадлежит к группе ферментов, чья функция заключается в связывании с отдельно существующими молекулами и объединении их в одну:
1 . синтетаза соединяет аминокислоту и молекулу АТФ. От АТФ отрываются две фосфатные группы, высвобождая энергию, необходимую для следующих действий. Остающийся от разрушенной молекулы аденозинмонофосфат (АМФ) присоединяется к аминокислоте, подготовив ее к соединению с акцепторной шпилькой.
2 . синтетаза присоединяет к себе одну из соответствующих этой аминокислоте родственных тРНК.
На этом этапе происходит проверка соответствия транспортной РНК синтетазе. Существует несколько способов распознавания, и в каждой синтетазе имеется уникальная их комбинация. Во взаимодействии синтетазы и тРНК участвует как минимум один нуклеотид антикодона. Так же требует проверки акцепторная шпилька: определяется наличие на ней специфических нуклеотидов, общих для соответствующих нужной аминокислоте родственных тРНК. Нуклеотиды других частей тРНК тоже могут участвовать в проверке соответствия, соединяясь с определенными местами синтетазы. Неправильная тРНК может совпадать с нужной по каким-то параметрам, но из-за неполного совпадения будет присоединяться к синтетазе медленно и неплотно, легко отваливаясь. А правильная тРНК прилипнет к синтетазе быстро и крепко, в результате чего структура синтетазы меняется, запуская процесс аминоацилирования , то есть присоединения аминокислоты к тРНК.
3 . аминоацилирование заключается в замене присоединенной к аминокислоте молекулы АМФ на молекулу тРНК. После этой замены АМФ покидает синтетазу, а тРНК задерживается для последней проверки аминокислоты. Если присоединенная аминокислота опознается как неправильная, она будет отсоединена от тРНК, место аминокислоты в синтетазе опустеет, и туда сможет присоединиться другая молекула. Новая аминокислота пройдет стадии соединения с АТФ и тРНК, и тоже подвергнется проверке. Если же ошибок допущено не было, заряженная аминокислотой тРНК освобождается: она готова сыграть свою роль в трансляции протеина. А синтетаза готова присоединить новые аминокислоту и тРНК, и цикл начнется заново.
От правильности работы аминоацил-тРНК-синтетазы зависит многое: если на этом этапе произойдет сбой, то к тРНК будет присоединена неверная аминокислота. И она будет встроена в растущий на рибосоме протеин, ведь тРНК и рибосома не имеют функции проверки соответствия кодона и аминокислоты. Последствия ошибки могут быть незначительными или катастрофическими, и в ходе естественного отбора существа с ферментами, не имеющими функции таких проверок, были вытеснены более приспособленными, имеющими различные варианты установления соответствия между аминокислотой и тРНК. Поэтому в современных клетках синтетаза соединяется с неверной аминокислотой в среднем в одном случае из 50 тысяч, а с ошибочной тРНК всего лишь один раз на 100 тысяч присоединений.
Некоторые аминокислоты отличаются друг от друга всего лишь несколькими атомами. Если взглянуть на их схемы, становится очевидно, что вероятность перепутать аргинин с аланином гораздо меньше, чем принять изолейцин за лейцин или валин. Поэтому у каждой синтетазы, связывающейся с одной из похожих друг на друга аминокислот, имеются дополнительные механизмы проверки. Вот пример такого приспособления у изолейцин-тРНК-синтетазы:
У каждой синтетазы существует синтетический центр , в котором происходит присоединение аминокислоты к тРНК. Акцепторная шпилька тРНК, захваченной синтетазой, попадает именно туда, так же как и аминокислота, готовая вступить в реакцию с ней. Работа некоторых синтетаз заканчивается сразу после соединения аминокислоты и тРНК. Но Ile-тРНК-синтетаза имеет повышенную вероятность совершения ошибок из-за существования других похожих на изолейцин аминокислот. Поэтому у нее есть еще и коррекционный центр : из названия понятно, какую роль он играет в процессе соединения тРНК и аминокислоты. На рисунке справа видно, что положение конца акцепторной шпильки тРНК в синтетическом центре Ile-тРНК-синтетазы придает этой шпильке неестественный изгиб. Тем не менее, синтетаза удерживает тРНК в таком положении до момента присоединения к ней аминокислоты. После того, как это соединение произошло, необходимость нахождения акцепторной шпильки в синтетическом центре исчерпана, и тРНК распрямляется, попадая своим концом с насаженной на него аминокислотой в коррекционный центр.
Конечно же, синтетический центр тоже играет свою роль в отсеивании не подходящих синтетазе аминокислот. Чтобы попасть в него, молекуле необходимо отвечать ряду условий, в том числе иметь подходящий размер. Несмотря на то, что лейцин и изолейцин содержат одно и то же количество атомов, из-за различий в пространственной структуре лейцин крупнее. Поэтому он не может проникнуть в синтетический центр, размеры которого соответствуют более компактному изолейцину, и просто отскакивает от Ile-тРНК-синтетазы.
Но вот валин, являющийся самой мелкой из этих трех молекул со схожей атомной структурой, легко занимает место изолейцина в синтетическом центре, и синтетаза присоединяет его к тРНК. Именно в этом случае вступает в игру коррекционный центр синтетазы. Если распрямляющаяся акцепторная шпилька заряжена верно и несет изолейцин, то она не может протиснуться внутрь коррекционного центра: он просто слишком мал для этой молекулы. Таким образом, распрямившуюся тРНК больше ничто не держит, и она отсоединяется от синтетазы. А вот если к тРНК присоединен валин, он проскальзывает в коррекционный центр, тем самым удерживая соединенную с ним тРНК в синтетазе. Такое излишне длительное нахождение тРНК внутри является для синтетазы сигналом ошибки, меняя ее пространственную конфигурацию. В результате этого:
=) валин отсоединяется от тРНК и удаляется из синтетазы
=) акцепторная шпилька возвращается в синтетический центр, ожидая присоединения к аминокислоте
=) синтетаза связывается с новой аминокислотой, «заряжает» ей тРНК и снова проверяет, был ли использован для этого именно изолейцин.
Схожий механизм двойного распознавания используется и другими синтетазами.
Аминоацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) - фермент синтетаза, катализирующий образование аминоацил-тРНК в реакции этерификации определенной аминокислоты с соответствующей ей молекулой тРНК. Для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза. АРСазы обеспечивают соответствие нуклеотидным триплетам генетического кода (антикодону тРНК) встраиваемых в белок аминокислот, и, таким образом, обеспечивают правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосомах. Большинство АРС-аз состоят из 1, 2 или 4 одинаковых полипептидных цепей. Молекулярная масса полипептидных цепей 30-140 тыс. Многие АРС-азы содержат два активных центра. Имеется 3 участка. 1-ый участок не обладает специфичностью, он одинаков для всех ферментов, это место присоединения АТФ. П-ой участок обладает строгой специфичностью, сюда присоединяется определенная АК, по которой и называется АРСаза, например, если она присоединяет метионин, то называется метионил-т-РНК-синтетаза. Ш-й участок также является строго специфичным участком, может соединиться только с опеределенной т-РНК. Таким образом, фермент необходим для узнавания аминокислоты и т-РНК.
Специфичность реакций, катализируемых АРС-азами, очень высока, что определяет точность белкового синтеза в живой клетке. Если А. осуществит ошибочное аминоацилирование тРНК близкой по структуре аминокислотой, произойдет коррекция путем катализируемого той же АРС-азы гидролиза ошибочных АК-тРНК до АК и тРНК. В цитоплазме содержится полный набор АРС-аз, в хлоропластах и митохондриях есть свои АРС-азы.
Транспортная РНК. Строение, функции. Строение рибосом.
Все тРНК имеют общие черты как в их первичной структуре, так и в способе складывания полинуклеотидной цепи во вторичную структуру за счет взаимодействий между основаниями нуклеотидных остатков.
Первичная структура тРНК
тРНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Все тРНК имеют одинаковый 3"-конец, построенный из двух остатков цитозина и одного - аденозина (CCA-конец). Именно 3"-концевой аденозин связывается с аминокислотным остатком при образовании аминоацил-тРНК. CCA-конец присоединяется ко многим тРНК с помощью специального фермента. Нуклеотидный триплет, комплементарный кодону для аминокислоты (антикодон), находится приблизительно в середине цепи тРНК. В отдельных положениях последовательности практически у всех видов тРНК встречаются одни и те же (консервативные) нуклеотидные остатки. В некоторых положениях могут находиться или только пуриновые, или только пиримидиновые основания (их называют полуконсервативными остатками).
Для всех молекул тРНК характерно присутствие большого числа (до 25% всех остатков) разнообразных модифицированных нуклеозидов, часто называемых минорными. Они образуются в различных местах молекул, во многих случаях четко определенных, в результате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.
Вторичная структура тРНК
складывания цепи во вторичную структуру происходит за счет взаимокомплементарности участков цепи. Три фрагмента цепи оказываются комплементарными при складывании их на себя, образуя шпилькообразные структуры. Кроме того, 5"-конец комплементарен участку, близкому к 3"-концу цепи, при их антипараллельном расположении; они формируют так называемый акцепторный стебель. В результате образуется структура, характеризующаяся наличием четырех стеблей и трех петель, которая получила название "клеверного листа". Стебель с петлей формируют ветвь. Внизу расположена антикодоновая ветвь, содержащая антикодоновый триплет в составе своей петли. Слева и справа от нее расположены D- и T-ветви, соответственно названные так из-за присутствия в их петлях необычных консервативных нуклеозидов дигидроуридина (D) и тимидина (T). Нуклеотидные последовательности всех изученных тРНК могут быть сложены в аналогичные структуры. В дополнение к трем петлям клеверного листа в структуре тРНК выделяют также дополнительную, или вариабельную, петлю (V-петлю). Ее размеры резко различаются у разных тРНК, варьируя, от 4 до 21 нуклеотида, а по последним данным, и до 24 нуклеотидов.
Пространственная (третичная) структура тРНК
За счет взаимодействия элементов вторичной структуры формируется третичная структура, которая получила название L-формы из-за сходства с латинской буквой L (рис. 2 и 3). За счет стэкинга оснований акцепторный стебель и T-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, а два других стебля - антикодоновый и D - другую непрерывную двойную спираль. При этом D- и T-петли оказываются сближенными и скрепляются между собой путем образования дополнительных, часто необычных пар оснований. В образовании этих пар, как правило, принимают участие консервативные или полуконсервативные остатки. Аналогичные третичные взаимодействия скрепляют и некоторые другие участки L-структуры
Основное назначение транспортной РНК (тРНК) - доставлять активированные остатки аминокислот в рибосому и обеспечивать их включение в синтезирующуюся белковую цепь в соответствии с программой, записанной генетическим кодом в матричной, или информационной, РНК (мРНК).
Строение рибосом.
Рибосомы представляют собой рибонуклео-протеиновые образования - своеобразные "фабрики", на которых идёт сборка аминокислот в белки. Эукариотические рибосомы имеют константу седиментации 80S и состоят из 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц. Каждая субъединица включает рРНК и белки.
Белки входят в состав субъединиц рибосомы в количестве одной копии и выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом.
В присутствии мРНК 40S и 60S субъединицы объединяются с образованием полной рибосомы, масса которой примерно в 650 раз больше массы молекулы гемоглобина.
По-видимому, рРНК определяет основные структурные и функциональные свойства рибосом, в частности обеспечивает целостность рибосомных субъединиц, обусловливает их форму и ряд структурных особенностей.
Объединение большой и малой субъединицы происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. Полисомы свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы или прикреплены к мембранам шероховатой цитоплазматической сети. В обоих случаях они служат местом активного синтеза белка.
Так же как и эндоплазматическая сеть, рибосомы были открыты только с помощью электронного микроскопа. Рибосомы - самые маленькие из клеточных органелл.
В рибосоме есть 2 центра для присоединения молекул тРНК: аминоацильный (А) и пептидильный (Р) центры, в образовании которых участвуют обе субъединицы. Вместе центры А и Р включают участок мРНК, равный 2 кодонам. В ходе трансляции центр А связывает аа-тРНК, строение которой определяет кодон, находящийся в области этого центра. В структуре этого кодона зашифрована природа аминокислоты, которая будет включена в растущую полипептидную цепь. Центр Р занимает пептидил-тРНК, т.е. тРНК, связанная с пептидной цепочкой, которая уже синтезирована.
У эукариотов различают рибосомы 2 типов: "свободные", обнаруживаемые в цитоплазме клеток, и связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР). Рибосомы, ассоциированные с ЭР, ответственны за синтез белков "на экспорт", которые выходят в плазму крови и участвуют в обновлении белков ЭР, мембраны аппарата Гольджи, митохондрий или лизосом
Синтез полипептидной молекулы. Инициация и элонгация.
Синтез белка представляет собой циклический многоступенчатый энергозависимый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуется в генетически детерминированную последовательность с образованием полипептидов.
Второй этап матричного синтеза белка, собственно трансляцию, протекающей в рибосоме, условно делят на три стадии: инициации, элонгации и терминации.
Инициация.
Последовательность ДНК, транскрибирующаяся в одну иРНК, начинающаяся просмотром на 5` конце и заканчивающаяся терминатором на 3`-конце, является единицей транскрипции и соответствует понятию «ген». Контроль экспрессии генов может осуществляться на этапе трансляции – инициация. На этом этапе РНК-полимераза распознает промотор – фрагмент длиной 41-44 п.н. Транскрипция происходит в направлении 5`-3`или слева направо. Последовательности, лежащие вправо от стартового нуклеитида, с которого начинается синтез тРНК, обозначаются номерами со знаком + (+1,+2..) а находящиеся левее со знаком – (-1,-2). Таким образом, область ДНК, к кторой присоединяется ДНК-полимераза, занимает участок с координатами примерно от -20 до +20. Во всех промоторах присутствуют одни и те же нуклеотидные последовательности., называемые консервативными. Такие последовательности служат сигналами, распознаваемыми РНК-полимеразами. Стартовая точка обычно представлена пурином. Сразу же влево от нее располагается 6-9 п.н., известные как последовательность (или ящик) Прибнова: ТАТААТ. Она может несколько варьировать, но первые два основания встреяаются в большинстве промоторов. Предполагается, что, поскольку ее образуют участок, богатый АТ-парами, связаны двумя водородными связями, ДНК в этом месте легче разделяется на отдельные нити. Это создает условия для функционирования РНК-полимеразы. Наряду с этим ящик Прибнова необходим для ориентирования таким образом, чтобы синтез иРНК шел слева направо т.е с 5`-3`. Центр ящика Прибнова находитя на нуклеотиде -10. Близкая по составу последовательность расположена в другом участке с центром в положении – 35.Этот участок состоящий из 9 п.н.обозначают как последовательность 35 или район распознавания. Он является сайтом, к которому присоединяется фактор, тем самым определяя эффективность, с которой РНК-полимераза не может начать транскрипцию без специальных белков. Одним из них служит фактор CAP или СRP.
У эукариот более подробно изучены промоторы, взаимодействующие с РНК-полимеразой II. Они содержат три гомологичных участка в районах с координатами в точках -25,-27 а также в стартовой точке. Стартовыми основаниями служат аденин, фланкированных с обеих сторон пиримидинами. На расстоянии 19-25 п.н. влево от участка расположены 7 п.н. ТАТАА, известны как последовательность ТАТА, или ящик «Хогнесса», часто он окружен участками, богатые ГЦ-парами. Еще левее в положении от -70 до -80 находится последовательность ГТЦ или ЦААТЦТ, называемая ящик ЦААТ. Предполагается, что последовательность ТАТА контролирует выбор стартового нуклеотида, а ЦААТ – первичное связывание РНК-полимеразы с ДНК-матрицей.
Элонгация. Стадия элонгации иРНК имеет сходства с элонгацией ДНК. В качестве предшественников для нее необходимы рибонуклеотидтрифосфаты. Этап элонгации транскрипции, то есть рост цепи иРНК, происходит путем присоединения рибонуклеотидмонофосфатов к 3`-концуцепи с освобождением пирофосфата. Копирование у эукариот обычно происходит на ограниченном участке ДНК (гене), хотя у прокариот в ряде случаев транскрипция может проходить последовательно через неколько сцепленных генов, формирующих единый оперон, и одного общего промотора. В таком случае образуется полицистронная иРНК.
Регуляция активности генов на примере лактозного оперона.
Лактозный оперон - полицистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы.
Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно. Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.
Лактозный оперон состоит из трех структурных генов, промотора, оператора и терминатора. Принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.
Структурные гены лактозного оперона - lacZ, lacY и lacA:
lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящий ацетильную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.
В начале каждого оперона находится специальный ген - ген оператор. На структурных генах одного оперона обычно образуется одна м-РНК, и эти гены бывают одновременно активны или неактивны. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии.
Промотор - участок ДНК, опознаваемый ферментом РНК- полимеразой, обеспечивающим синтез м-РНК в опероне предшествует участок ДНК, к которому присоединяется Сар-белок - белок активатор. Эти два участка ДНК состоят из 85 нуклеотидных пар. После промотора в опероне размещается ген - оператор, состоящий из 21 нуклеотидной пары С ним обычно и бывает связан белок - репрессор, вырабатываемый геном-регулятором За геном-оператором располагается спейсер (space -промежуток). Спейсеры - неинформативные участки молекулы ДНК различной длины (иногда до 20000 пар оснований), которые, по видимому, принимают участие в регулировании процесса транскрипции соседнего гена.
Заканчивается оперон терминатором - небольшим участком ДНК, который служит стоп-сигналом синтеза м-РНК на данном опероне.
Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку (ее в данном случае называют индуктором), блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены.
РНК-полимераза с помощью Cap-белка (белка-активатора) присоединяется к промотору и, продвигаясь по оперону, синтезирует про-м-РНК. При транскрипции м-РНК считывает генетическую информацию со всех структурных генов в одном опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез нескольких разных полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в м-РНК кодонами - последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи. Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лактозного оперона, называется негативной индукцией синтеза белка.
Регуляция активности генов на примере триптофанового оперона.
Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у E.coU на примере оперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофона. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит 5 структурных генов, ген оператор и два промотора. Ген регулятор обеспечивает постоянный синтез регуляторного белка, который не влияет на работу trp - оперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что он связывается с о перо ном и репрессирует синтез соответствующей м-РНК.
Негативный и позитивный контроль генетической активности.
Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена-регулятора активирует работу оперона, т.е. является не репрессором, а активатором Деление это условно, и строение акцепторной части оперона, действие гена - регулятора у прокариот весьма разнообразны.
Число структурных генов в опероне у прокариот колеблется от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора. Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило, контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие регуляцию работы нескольких оперонов.
К первой части акцептора гена - оператора присоединяются белки, активирующие синтез м-РНК, а к концу его - белки - репрессоры, подавляющие синтез м-РНК. Один ген регулируется одним из нескольких белков, каждый из которых прикрепляется к соответствующей точке акцептора. Разные же гены могут иметь общие регуляторы и одинаковые операторные участки. Гены - регуляторы действуют не одновременно. Сначала один включает сразу одну группу генов, затем через некоторое время другой - другую группу, т.е. регуляция активности генов происходит «каскадами», причем белок синтезированный в одной стадии, может быть регулятором синтеза белков следующей стадии.
Строение хромосом. Кариотип. Идиограмма. Модели строения хромосом.
Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины (например, в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо неё, в состав хромосомы входят пять специализированных белков - H1, H2A, H2B, H3 и H4 (так называемые гистоны) и ряд негистоновых белков. Последовательность аминокислот гистонов высококонсервативна и практически не различается в самых разных группах организмов. В интерфазе хроматин не конденсирован, но и в это время его нити представляют собой комплекс из ДНК и белков. Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеид, выявляемый под световым микроскопом в виде тонких нитей и гранул. Макромолекула ДНК обвивает октомеры (структуры, состоящую из восьми белковых глобул) гистоновых белков H2A, H2B, H3 и H4, образуя структуры, названные нуклеосомами.
В целом вся конструкция несколько напоминает бусы. Последовательность из таких нуклеосом, соединённых белком H1, называется нуклеофиламентом, или нуклеосомной нитью, диаметром около 10 нм.
Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры. Каждая клетка тела человека содержит в точности 46 хромосом. Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по 2 хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек.
Центромера - особым образом организованный участок хромосомы, общий для обеих сестринских хроматид. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки различают следующие типы хромосом: равноплечие (метацентрические), когда центромера расположена посередине, а плечи примерно равной длины; неравноплечие (субметацентрические), когда центромера смещена от середины хромосомы, а плечи неравной длины; палочковидные (акроцентрические), когда центромера смещена к одному концу хромосомы и одно плечо очень короткое. В некоторых хромосомах могут быть вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником.
Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков. Как было доказано многочисленными исследованиями, ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию - программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Белки составляют значительную часть вещества хромосом (около 65% массы этих структур). Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования..
Графическое изображение кариотипа, показывающие его структурные особенности, называется идиограммой.
Специфический для определенного вида по числу и структуре набор хромосом получил название кариотипа.
Гистоны. Структура нуклеосом.
Гистоны - основной класс нуклеопротеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Существует пять различных типов гистонов, названных H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Последовательность аминокислот в этих белках практически не различается в организмах различного уровня организации. Гистоны - небольшие, сильно основные белки, связывающиеся непосредственно с ДНК. Гистоны принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре.
По две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной 146 п.о., образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица диаметром 7 нм называется нуклеосомой. Участок ДНК (линкерная ДНК), непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует с гистоном Н1.
Группа негистоновых белков высоко гетерогенна и включает структурные ядерные белки, множество ферментов и факторов транскрипции, связанных с определенными участками ДНК и осуществляющих регуляцию генной экспрессии и других процессов.
Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, формирование (конденсация) хромосом связано с фосфорилированием гистонов, а усиление транскрипции - с ацетилированием в них остатков лизина. Детали механизма регуляции до конца не выяснены.
Нуклеосома - субъединица хроматина, состоящая из ДНК и набора из четырех пар гистоновых белков Н2А, Н2В, Н3 и Н4 одной молекулы гистона H1. Гистон Н1 связывается с линкерной ДНК между двумя нуклеосомами.
Нуклеосома является элементарной единицей упаковки хроматина. Она состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг специфического комплекса из восьми нуклеосомных гистонов (гистонового октамера). Нуклеосома представляет собой дисковидную частицу с диаметром около 11 нм, содержащую по две копии каждого из нуклеосомных гистонов (Н2A, Н2В, НЗ, Н4). Гистоновый октамер образует белковую сердцевину, вокруг которой дважды обмотана двуспиральная ДНК (146 нуклеотидных пар ДНК на гистоновый октамер).
Нуклеосомы, входящие в состав фибрилл, расположены более или менее равномерно вдоль молекулы ДНК на расстоянии 10-20 нм друг от друга.
Уровни упаковки хромосом эукариот. Конденсация хроматина.
Таким образом, уровни упаковки ДНК следующие:
1) Нуклеосомный (2,5 оборота двуспиральной ДНК вокруг восьми молекул гистоновых белков).
2) Супернуклеосомный - хроматиновая спираль (хромонема).
3) Хроматидный - спирализованная хромонема.
4) Хромосома - четвертая степень сперализации ДНК.
В интерфазном ядре хромосомы деконденсированы и представлены хроматином. Деспирализованный участок, содержащий гены, называется эухроматин (разрыхленный, волокнистый хроматин). Это необходимое условие для транскрипции. Во время покоя между делениями определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными.
Эти спирализованные, сильно окрашивающиеся участки, называются гетерохроматином. Они неактивны в отношении транскрипции. Различают факультативный и конститутивный гетерохроматин.
Факультативный гетерохроматин информативен, т.к. содержит гены и может переходить в эухроматин. Из двух гомологичных хромосом одна может гетерохроматической. Конститутивный гетерохроматин всегда гетерохроматичен, неиформативен (не содержит генов) и поэтому всегда неактивен в отношении транскрипции.
Хромосомная ДНК состоит из более 108 пар оснований, из которых образуется информативные блоки - гены, расположенные линейно. На их долю приходится до 25% ДНК. Ген - функциональная единица ДНК, содержащая информацию для синтеза полипептидов, или всех РНК. Между генами находятся спейсеры - неинформативные отрезки ДНК разной длины. Избыточные гены представлены большим числом - 104 идентичных копий. Примером являются гены для т-РНК, р-РНК, гистонов. В ДНК встречаются последовательности одних и тех же нуклеотидов. Они могут быть умеренно повторяющимися и высоко повторяющимися последовательностями. Умеренно повторяющиеся последовательности достигают 300 пар нуклеотидов с повторениями 102 - 104 и представляют чаще всего спейсеры, избыточные гены.
Высокоповторяющиеся последовательности (105 - 106) образуют конститутивный гетерохроматин. Около 75% всего хроматина не участвует в транскрипции, он приходится на высокоповторяющиеся последовательности и нетранскрибируемые спейсеры.
Приготовление хромосомных препаратов. Использование колхицина. Гипотония, фиксация и окрашивание.
В зависимости от степени пролиферативной активности клеток разных тканей in vivo и in vitro различают прямые и непрямые методы получения препаратов хромосом.
1) Прямые методы используются при исследовании тканей, обладающих высокой митотической активностью (костный мозг, хорион и плацента, клетки лимфатических узлов, ткани эмбриона на ранней стадии развития). Препараты хромосом готовятся непосредственно из свежеполученного материала после специальной обработки.
2) Непрямые методы включают получение препаратов хромосом из любой ткани после ее предварительного культивирования в течение различного периода времени.
Существует множество модификаций прямого и непрямого методов приготовления хромосомных препаратов, однако основные этапы получения метафазных пластинок остаются неизменными:
1. Использование колхицина (колцемида) - ингибитора образования митотического веретена, который останавливает деление клеток на стадии метафазы.
2. Гипотонический шок с использованием растворов солей калия или натрия, которые вследствие разницы осмотического давления внутри и снаружи клеток вызывают их набухание и разрыв межхромосомных связей. Такая процедура приводит к отделению хромосом друг от друга, способствуя более сильному их разбросу в метафазных пластинках.
3. Фиксация клеток с использованием ледяной уксусной кислоты и этанола (метанола) в соотношении 3:1 (фиксатор Карнуа), что способствует сохранению структуры хромосом.
4. Раскапывание суспензии клеток на предметные стекла.
5. Окрашивание хромосомных препаратов.
Разработан ряд методов окрашивания (бэндинга), позволяющих выявить комплекс поперечных меток (полос, бэндов) на хромосоме. Каждая хромосома характеризуется специфическим комплексом полос. Гомологичные хромосомы окрашиваются идентично, за исключением полиморфных районов, где локализуются разные аллельные варианты генов. Аллельный полиморфизм характерен для многих генов и встречается в большинстве популяций. Выявление полиморфизмов на цитогенетическом уровне не имеет диагностического значения.
А. Q-окрашивание. Первый метод дифференциального окрашивания хромосом был разработан шведским цитологом Касперссоном, использовавшим с этой целью флюоресцентный краситель акрихин-иприт. Под люминесцентным микроскопом на хромосомах видны участки с неодинаковой интенсивностью флюоресценции - Q-сегменты. Метод лучше всего подходит для исследования Y-хромосом и потому используется для быстрого определения генетического пола, выявления транслокаций (обменов участками) между X- и Y-хромосомами или между Y-хромосомой и аутосомами, а также для просмотра большого числа клеток, когда необходимо выяснить, имеется ли у больного с мозаицизмом по половым хромосомам клон клеток, несущих Y-хромосому.
Б. G-окрашивание. После интенсивной предварительной обработки, часто с применением трипсина, хромосомы окрашивают красителем Гимзы. Под световым микроскопом на хромосомах видны светлые и темные полосы - G-сегменты. Хотя расположение Q-сегментов соответствует расположению G-сегментов, G-окрашивание оказалось более чувствительным и заняло место Q-окрашивания в качестве стандартного метода цитогенетического анализа. G-окрашивание дает наилучшие результаты при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы).
В. R-окрашивание дает картину, противоположную G-окрашиванию. Обычно используют краситель Гимзы или флюоресцентный краситель акридиновый оранжевый. Этим методом выявляют различия в окрашивании гомологичных G- или Q-негативных участков сестринских хроматид или гомологичных хромосом.
Г. C-окрашивание используют для анализа центромерных районов хромосом (эти районы содержат конститутивный гетерохроматин) и вариабельной, ярко флюоресцирующей дистальной части Y-хромосомы.
Д. T-окрашивание применяют для анализа теломерных районов хромосом. Эту методику, а также окрашивание районов ядрышковых организаторов азотнокислым серебром (AgNOR-окрашивание) используют для уточнения результатов, полученных путем стандартного окрашивания хромосом.
Синтез предшественников рРНК и тРНК сходен с синтезом ире-мРНК. Первичный транскрипт рибосомных РНК не содержит интронов, и при действии специфических РНКаз расщепляется с образованием 28S-, 18S- и 5,8S-pPHK; 5S-pPHK синтезируется при участии РНК-полимеразы III.
рРНК и тРНК.
Первичные транскрипты тРНК превращаются в зрелые формы также путем частичного гидролиза.
Все типы РНК участвуют в биосинтезе белков, но их функции в этом процессе различны. Роль матрицы, определяющей первичную структуру белков, выполняют матричные РНК (мРНК).Важное значение для изучения механизмов трансляции имеет использование бесклеточных систем биосинтеза белков. Если инкубировать гомогенаты тканей со смесью аминокислот, из которых хотя бы одна меченая, то по включению метки в белки можно регистрировать биосинтез белков. Первичная структура синтезируемого белка определяется первичной структурой мРНК, добавленной в систему. Если бесклеточная система составлена с глоби-новой мРНК (ее можно выделить из ретикулоцитов), синтезируется глобин (а- и (3-цепи глобина); если с альбуминовой мРНК, выделяемой из гепатоцитов, синтезируется альбумин, и т. д.
14. Значение репликации:
а) процесс является важным молекулярным механизмом, лежащим в основе всех разновидностей деления клеток проэукариот, б) обеспечивает все типы размножения как одноклеточных, так и многоклеточных организмов,
в) поддерживает постоянство клеточного
состава органов, тканей и организма в результате физиологической регенерации
г) обеспечивает длительное существование отдельных индивидуумов;
д) обеспечивает длительное существование видов организмов;
е) процесс способствует точному удвоениюинформации;
ж) в процессе репликации возможны ошибки (мутации) , что может приводить к нарушениям синтеза белков с развитием патологических изменений.
Уникальное свойство молекулы ДНК удваиваться перед делением клетки называется репликацией.
Особые свойства нативной ДНК как носителя наследственной информации:
1) реплицирование – образование новых цепей комплиментарно;
2) самокоррекция – ДНК-полимераза отщепляет ошибочно реплицированные участки (10-6);
3) репарация - восстановление;
Осуществление этих процессов происходит в клетке с участием специальных ферментов.
Как устроена система репарации Эксперименты, позволившие выявить механизмы восстановления и само существование этой способности, проводились с помощью одноклеточных организмов. Но процессы репарации присущи живым клеткам животных и человека. Некоторые люди страдают пигментной ксеродермой. Это заболевание вызвано отсутствием способности клеток ресинтезировать поврежденную ДНК. Ксеродерма передается по наследству. Из чего же состоит репарационная система? Четыре фермента, на которых держится процесс репарации – это ДНК-хеликаза, -экзонуклеаза, -полимераза и -лигаза. Первый из этих соединений способен распознавать повреждения в цепи молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Он не только распознает, но и обрезает цепь в нужном месте, чтобы удалить измененный отрезок молекулы. Само устранение осуществляется с помощью ДНК-экзонуклеазы. Далее происходит синтез нового участка молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты из аминокислот с целью полностью заменить поврежденный отрезок. Ну и финальный аккорд этой сложнейшей биологической процедуры совершается с помощью фермента ДНК-лигазы. Он отвечает за прикрепление синтезированного участка к поврежденной молекуле. После того как все четыре фермента сделали свою работу, молекула ДНК полностью обновлена и все повреждения остаются в прошлом. Вот так слаженно работают механизмы внутри живой клетки.
Классификация На данный момент ученые выделяют следующие разновидности систем репарации. Они активируются в зависимости от разных факторов. К ним относятся: Реактивация. Рекомбинационное восстановление. Репарация гетеродуплексов. Эксцизионная репарация. Воссоединение негомологичных концов молекул ДНК. Все одноклеточные организмы обладают как минимум тремя ферментными системами. Каждая из них обладает способностью осуществлять процесс восстановления. К этим системам относят: прямую, эксцизионную и пострепликативную. Этими тремя видами восстановления ДНК обладают прокариоты. Что касается эукариот, то в их распоряжении находятся дополнительные механизмы, которые называются Miss-mathe и Sos-репарация. Биология подробно изучила все эти виды самовосстановления генетического материала клеток.
15. Генети́ческий код - это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.
В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.
Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.
Свойства генетического кода
Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
Однозначность - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии) (Из этого свойства также есть ряд исключений, см. таблицу в разделе "Вариации стандартного генетического кода" в данной статье).
16.Условия биосинтеза
Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК - переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы - органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.
Этапы
Транскрипция - процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.
Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.
После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.
Трансляция - процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.
Биосинтез белка состоит из ряда реакций.
1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы.
2. Образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.
3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК - аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.
Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15-20 с.