Тема 07 Матричные биосинтезы

Формат документа: pdf
Размер документа: 1.5 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ
Осноghc фигурой матричных биосинтезов яeyxlky нуклеиноu_ кислоты . Они пред -
стаeyxl собой полимерные молекулы , в состав которых oh^yl азотистые осноZgby пяти
типов , пентозы дmo типов и остатки фосфорной кислоты.
Азотистые осноZgby в нуклеиноuo кислотах могут быть пуриноufb ( аденин, гуа -
нин ) и пиримидиноufb (цитозин , урацил , тимин).
В заbkbfhklb от строения углевода u^_eyxl рибонуклеиноu_ кислоты – содержат
рибозу (РНК ), и дезоксирибонуклеиноu_ кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК).
ОСНОВНОЙ ПОСТУЛАТ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
В подаeyxs_f большинст_ случаев передача наследст_gghc информации от мате -
ринской клетки к дочерней осущестey_lky при помощи ДНК (репликация ). Для использо -
Zgby генетической информации самой клеткой необходимы РНК , образуемые на матрице
ДНК (транскрипция ). Далее РНК непосредст_ggh участвуют на k_o этапах синтеза белко -
uo молекул (трансляция ), обеспечиZxsbo структуру и деятельность клетки.
Некоторые bjmku (ретроbjmku ) обладают способностью застаeylv клетку синтези -
роZlv ДНК на матрице bjmkghc РНК – это назыZ_lky обратной транскрипцией .

На ur_kdZaZgghf осноZgZ центральная догма молекулярной биологии , согласно
которой перенос генетической информации осущестey_lky только от нуклеиноhc кислоты
( ДНК и РНК ). Получателем информации может быть другая нуклеиноZy кислота (ДНК или
РНК ) и белок .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 2
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
С ТРОЕНИЕ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ
ДНК (дезоксирибонуклеиноZy
кислота ) предстаey_l собой двухце -
почечную молекулу , в каждой цепи
мономерами uklmiZxl дезоксирибо -
нуклеотиды – dАМФ, dГМФ, dЦМФ ,
dТМФ . Нуклеотиды сyaZgu между
собой через фосфатные мостики меж-
ду 3' и 5' атомами углерода соседних
дезоксирибоз . Сахарофосфатный остов
в ДНК заряжен отрицательно благо -
даря заряду фосфатных групп . В то же
j_fy пуриноu_ и пиримидиноu_
осноZgby гидрофобны .


Цепи ДНК обладают напраe_g -
ностью, т.е . имеют 3'-конец и 5'-конец ,
цепи антипараллельны , т.е . напраe_ -
ны в разные стороны . Имеется ком -
плементарность азотистых осноZgbc :
аденин комплементарен тимину
( А =Т), гуанин комплементарен цито -
зину (Г
≡Ц ).
С ТРОЕНИЕ ХРОМАТИНА
ДНК – наиболее Z`gZy часть
хромосом: д_ двухцепочечные моле -
кулы ДНК образуют одну хромосому .
Наиболее хорошо хромосомы b^gu
перед митозом и h j_fy его. В по-
коящихся клетках хромосомный мате -
риал u]ey^bl нечетко и распределен
по k_fm ядру . В таком состоянии он
получил назZgb_ "хроматин ". В со-
ста_ хроматина u^_eyxl 60% белка
( гистоны и кислые белки ), 35% ДНК и
около 5% РНК.


Хроматин уложен в b^_ сферических частиц – нуклеосом , соединенных друг с другом
нитью ДНК . Нуклеосома предстаey_l собой комплекс участка молекулы ДНК и hkvfb мо-
лекул гистонов. В соста_ нуклеосомы находятся по 2 молекулы гистонов Н 2α, Н2β , Н 3, Н4.
Нить ДНК , последоZl_evgh контактируя с гистонами Н 2α, Н2β , Н 4, Н3, Н3, Н4, Н2β , Н 2α,
наматыZ_lky на гистоноh_ ядро , которое "маскирует " 146 пар осноZgbc ДНК . Гистон Н 1
сyauается с нуклеосомой на участке oh^Z и uoh^Z ДНК , "склеиZy " 2 оборота и " маски -
руя " еще 20 пар осноZgbc . Таким образом, с помощью одной нуклеосомы замаскировано
166 пар осноZgbc .
Кроме нуклеосом , в ядре присутствуют еще 2 уроgy укладки ДНК : фибриллы диамет-
ром 10 нм , состоящие из цепочки нуклеосом , и hehdgZ , диаметром 30 нм, образующиеся
при закручиZgbb фибрилл в суперспираль . На blhd такой спирали приходится 6-7 нуклео-

Матричные биосинтезы 3
сом . Участок ДНК между нуклеосомами назыZ_lky спейсерным (англ : space – пространст-
h ), его длина Zjvbjm_l в заbkbfhklb от b^Z организма и типа клеток . У чело_dZ она со-
стаey_l около 50 пар нуклеотидов.


С ТРОЕНИЕ РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
РибонуклеиноZy кислота (РНК ) предстаey_l собой последоZl_evghklv рибонуклео -
зидмонофосфатов – АМФ, ГМФ , ЦМФ , УМФ , сyaZgguo друг с другом 5'-3'-фосфо -
диэфирными сyayfb . По строению РНК отличается от ДНК однонитеhc структурой , значи -
тельно меньшей молекулярной массой , наличием урацила f_klh тимина и рибозы f_klh
дезоксирибозы .
В клетке присутствует четыре типа РНК:
Матричные РНК (мРНК) предстаeyxl собой линейную последоZl_evghklv нуклео-
тидов . К 5'- концу молекулы присоединен метилгуанозиндифосфат , на 3'- конце имеется поли -
аденилоZy последоZl_evghklv (см ниже ). Их функция – информационная , т.е . перенос ин-
формации о структуре белков от ДНК к месту их синтеза .
Малые РНК используются для созреZgby мРНК и некоторых других клеточных про-
цессов.
Рибосомальные РНК (рРНК ) прокариот и эукариот различны и отличаются _ebqbghc
седиментации (скорости оседания молекулы при центрифугироZgbb ). Они участmxl в по-
строении рибосом.
У прокариот три разноb^ghklb рРНК : 5S, 16S и 23S. Малую (30S) субчастицу рибо-
сом образуют белки и 16S- рРНК; большую (50S) субъединицу – белки, 23S-рРНК и
5S- рРНК . У эукариот в соста_ рибосом четыре разноb^ghklb рРНК : 5S, 5,8S, 18S и 28S.
Малую (40S) субчастицу образуют белки и 18S-рРНК , большую (60S) – белки и 5S-, 5,8S-,
28S- рРНК .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 4

Транспортные РНК (тРНК ) бактерий и эукариот dexqZxl 73-93 нуклеотида . Они пе -
реносят аминокислоты из цитозоля к рибосомам . На 5'- конце тРНК находится гуанилоuc
нуклеотид , на 3'- конце – триплет Ц -Ц -А . Вторичная структура тРНК напоминает кле_jguc
лист , а третичная – латинскую букm L. В " кле_jghf листе " u^_eyxl четыре участка (или
_lи , петли ), каждый из которых имеет собст_ggmx функцию:

o антикодоноuc – соединяется с кодоном матричной РНК в рибосоме ,
o псе^hmjb^behый – от_qZ_l за сyauание с рибосомой ,
o дигидроуридилоuc – от_qZ_l за сyauание с аминоацил -тРНК -синтазой ,
o акцепторный – сyauает переносимую аминокислоту .

Матричные биосинтезы 5
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Синтез ДНК происходит не беспорядочно , а в
строго определенный период жизни клетки . Всего
u^_eyxl 4 фазы клеточного цикла : митоз (М ), син -
тетическую (S), пресинтетическую (G1, от англ . gap –
интерZe ), постсинтетическую (G2).
Важное участие в регуляции смены фаз клеточ -
ного цикла занимают циклины – белки массой
35-90 кДа , уро_gv которых меняется в ходе клеточ -
ного цикла . По функции циклины – это актиZlhjgu_
субъединицы ферментов циклин -заbkbfuo киназ
( ЦЗК ). Актиgu_ комплексы циклин -ЦЗК фосфори -
лируют gmljbde_lhqgu_ белки , изменяя их актив-
ность. Этим обеспечивается продb`_gb_ по клеточному циклу.

Синтез (репликация , удh_gb_) ДНК происходит в S- фазу клеточного цикла , когда
клетка готоblky к делению . Механизм репликации , как установили Мэтью Мезельсон и
Франклин Сталь в 1957 г, полуконсерZlbный , т.е . на каждой нити материнской ДНК син -
тезируется дочерняя копия.
Как любой матричный биосинтез , репликация требует наличия нескольких компонен -
тов :
o матрица – в ее роли uklmiZ_l материнская нить ДНК,
o растущая цепь – дочерняя нить ДНК,

o субстраты для синтеза – dАТФ , dГТФ, dЦТФ , ТТФ,
o источник энергии – dАТФ, dГТФ, dЦТФ , ТТФ,
o ферменты .
Синтез ДНК начинается в определенных участках , получиrbo назZgb_ точка ori
( англ . origin – начало ). На каждой ДНК млекопитающих точек ori насчитыZ_lky около 100.
Репликация распространяется от этих участков в обе стороны по нитям ДНК с образоZgb_f
репликатиguo "пузырей ". В каждом таком "пузыре " имеются д_ репликатиgu_ "be -
ки", в которых происходит расплетание, раскручиZgb_ и непосредст_gguc синтез ДНК .
При этом репликатиgu_ bedb удаляются друг от друга. В целом ky репликация ДНК у эу -
кариот заканчиZ_lky за 9 часов .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 6
Синтез ноhc цепи ДНК идет в напраe_gbb от 5'- конца к 3'- концу , т.е . 5'-конец ноhc
ДНК остается сh[h^guf , следующие нуклеотиды присоединяются к 3'- гидроксильной
группе предыдущего нуклеотида со скоростью порядка 100 нуклеотидов в секунду.
В репликатиghc bed_ в напраe_gbb 5'→ 3' непрерыgh (т.е . обычным заурядным
присоединением последующих нуклеотидов к предыдущим через С
3 и С 5) синтезируется
только одна нить, а именно та , для которой напраe_gb_ синтеза соiZ^Z_l с напраe_gb_f
дb`_gby репликатиghc bedb и соот_lklует напраe_gbx материнской нити 3' → 5'. По
мере расплетания ДНК и дb`_gby репликатиghc bedb на этой материнской нити откры -
Zxlky участки, где hafh`gh безостаноhqgh_ удлинение _^ms_c дочерней нити.
Напраe_gb_ 5'→ 3' для другой дочерней нити ДНК протиhiheh`gh дb`_gbx репли-
катиghc bedb. Поэтому синтез этой отстающей нити (в напраe_gbb 5'→ 3') hafh`_g
только после расплетания части ДНК и осh[h`^_gby участка для синтеза .




Матричные биосинтезы 7
Таким образом , синтез дочерней ДНК идет фрагментарно . По имени японского иссле -
доZl_ey синтезируемые на отстающей цепи отрезки ДНК назZeb фрагменты Оказаки.
В хронологическом порядке события репликации раз_jluаются примерно следую -
щим образом :
1. ДНК- топоизомеразы , находясь перед репликатиghc bedhc , разрезают молекулу ДНК
для облегчения ее расплетания и раскручиZgby .
2. ДНК-хеликазы , следуя за топоизомеразами , раскручиZxl и расплетают молекулу ДНК.
3. ДНК- связыZxsb_ белки ( ДСБ) сyauают расплетенные нити ДНК и стабилизируют
их, не допуская обратного "слипания " друг с другом .
4. ДНК- полимераза δ ( греч .: δ – дельта ), согласоZgh со скоростью дb`_gby репликатив -
ной bedb , осущестey_l элонгацию _^ms_c цепи дочерней ДНК в напраe_gbb 5'→ 3'
на матрице одной из нитей материнской ДНК (скорость 100 пар нуклеотидов в секунду ).
5. ДНК- полимераза α присоединяется к другой нити ДНК сразу после расплетания и в на -
праe_gbb 5'→ 3' синтезирует праймер (РНК -затраdm ) – последоZl_evghklv РНК на
матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов . После этого фермент удаляется с нити
ДНК .
6. ДНК- полимераза ε проh^bl синтез фрагмента (длина 150-200 нуклеотидов) отстающей
цепи дочерней ДНК в продолжение праймера . Она работает до тех пор, пока не klj_lbl
праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезироZggh]h ранее). После этого данный
фермент удаляется с цепи .
7. ДНК- полимераза β klZ_l f_klh ДНК -полимеразы ε , дb`_lky в том же напраe_gbb
(5' → 3') и удаляет рибонуклеотиды праймера, одноj_f_ggh kljZbая дезоксирибо нук-
леотиды на их место . Фермент работает до полного удаления праймера , после чего схо-
дит с цепи .
8. ДНК- лигаза произh^bl сшиdm отрезка , синтезироZggh]h ДНК -полимеразой ε , и участ -
ка отстающей цепи дочерней ДНК , kljh_ggh]h ДНК -полимеразой β , ( фрагментов Ока-
заки ).


www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 8
ПОВРЕЖДЕНИЯ И РЕПАРАЦИЯ ДНК
Так как на геном любой неделящейся клетки постоянно оказыZ_l ebygb_ окружаю -
щая среда , то iheg_ _jhylgu поj_`^_gby в соста_ нуклеотида , также hafh`gh kljZb -
Zgb_ непраbevgh]h нуклеотида при репликации . Такие нарушения быстро определяются
специальными ферментами , пораженный участок удаляется экзонуклеазами , заполняется
ДНК- полимеразой β и сшиZ_lky ДНК-лигазой .
В случае изменения структуры осноZgby (например , его дезаминироZgb_ ) это осно -
Zgb_ удаляется ДНК-N- гликозидазой , затем другими ферментами удаляется дезоксирибоза
и на ее место ДНК- полимеразой β и ДНК- лигазой kljZbается нужный нуклеотид .
Отрыв пуриноuo и пиримидиноuo осноZgbc от дезоксирибозы устраняется
ДНК- инсертазами , которые присоединяют к остаr_cky дезоксирибозе соот_lklующие
осноZgby .
ГИБРИДИЗАЦИЯ ДНК -ДНК И ДНК -РНК
Если нагреть растhj ДНК ur_ температуры 90°С или сдbgmlv рН в резко щелочную
или резко кислую стороны, то h^hjh^gu_ сyab между нитями ДНК разрушаются и дhcgZy
спираль расплетается . Происходит денатурация ДНК или, по-другому , плаe_gb_ . Если
удалить агрессиguc фактор , то происходит ренатурация или отжиг . При отжиге нити ДНК
" отыскиZxl " комплементарные участки друг у друга и, в конце концов , gh\v сhjZqbают -
ся в дhcgmx спираль.
Если в одной " пробирке " про_klb плаe_gb_ и отжиг смеси ДНК чело_dZ и мыши , то
некоторые участки цепей ДНК мыши будут hkkh_^bgylvky с комплементарными участками
цепей ДНК чело_dZ с образоZgb_f гибридов . Число таких участков заbkbl от степени
родстZ b^h\ . Чем ближе b^u между собой, тем больше участков комплементарности ни-
тей ДНК . Это яe_gb_ назыZ_lky гибридизация ДНК-ДНК.
Если в растhj_ присутстm_l РНК , то можно осущестblv гибридизацию ДНК -РНК .
Такая гибридизация помогает устаноblv близость определенных последоZl_evghkl_c ДНК
с какой -либо РНК .
Гибридизация ДНК -ДНК и ДНК -РНК используется как эффектиgh_ средстh в моле -
кулярной генетике.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Прежде чем начнут синтезироZlvky белки , информацию об их строении необходимо
" достать " из ДНК и достаblv ее к месту синтеза белков . Этим занимаются информацион -
ные или матричные РНК . Одноj_f_ggh клетке нужны транспортеры аминокислот –
транспортные РНК и структурные компоненты органелл , синтезирующих белок , – рибосо -
мальные РНК . Вся информация о строении транспортных и рибосомальных РНК также на -
ходится в ДНК .
Поэтому существует процесс переписыZgby или транскрипции данных с ДНК на
РНК (англ . transcription – переписыZgb_) – биосинтез РНК на матрице ДНК.
Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции u^_eyxl 5 необходимых элемен -
тов :
o матрица – одна из цепей ДНК,
o растущая цепь – РНК ,
o субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ , АТФ),
o источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ , АТФ.

Матричные биосинтезы 9
o ферменты РНК -полимеразы и белкоu_ факторы транскрипции .

Биосинтез РНК происходит в участке ДНК , который назыZ_lky транскриптон , с од -
ного края он ограничен промотором (начало ), с другого – терминатором (конец ).
РНК-полимеразы эукариот имеют по д_ больших субъединицы и несколько малых
субъединиц .
С ТАДИИ ТРАНСКРИПЦИИ
Выделяют три стадии транскрипции : инициация , элонгация и терминация .
И НИЦИАЦИЯ
Промотор содержит стартоuc сигнал транскрипции – ТАТА-бокс – определенную по-
следоZl_evghklv нуклеотидов ДНК , сyauающую первый фактор инициации
ТАТА -фактор . Этот ТАТА -фактор обеспечиZ_l присоединение РНК -полимеразы к той
нити ДНК , которая будет использоZlvky в качест_ шаблона для транскрипции (матричная
нить ДНК). Так как промотор ассиметричен ("ТАТА"), то он сyauает РНК -полимеразу
только в одной ориентации , что определяет напраe_gb_ транскрипции от 5'- конца к 3'- концу
(5' → 3'). Для сyauания РНК -полимеразы с промотором необходим еще один фактор ини -
циации – σ-фактор ( греч . σ – " сигма "), но сразу после синтеза затраhqgh]h фрагмента РНК
( длиной 8-10 рибонуклеотидов ) σ -фактор отрыZ_lky от фермента .
Другие факторы инициации раскручиZxl спираль ДНК перед РНК-полимеразой .
Э ЛОНГАЦИЯ
Белкоu_ факторы элонгации обеспечиZxl продb`_gb_ РНК -полимеразы ^hev
ДНК и расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар .
РНК -полимераза продb]Z_lky со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в напраe_gbb
5' → 3'. Фермент использует АТФ , ГТФ, ЦТФ, УТФ одноj_f_ggh в качест_ субстрата и в
качест_ источника энергии.


www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 10
ТЕРМИНАЦИЯ
РНК-полимераза останоblky , когда достигнет терминирующих кодонов. С помощью
белкоh]h фактора терминации , так назыZ_fh]h ρ -фактора (греч . ρ – " ро"), от матрицы
ДНК отделяются фермент и синтезироZggZy молекула РНК , которая яey_lky перbqguf
транскриптом , предшест_ggbdhf мРНК или тРНК или рРНК .
П РОЦЕССИНГ РНК
Сразу после синтеза перbqgu_ транскрипты РНК по разным причинам еще не имеют
актиghklb , яeyxlky "незрелыми " и в дальнейшем претерпеZxl ряд изменений , которые
назыZxlky процессинг . У эукариот процессингу под_j]Zxlky k_ b^u пре -РНК , у прока -
риот – только предшест_ggbdb рРНК и тРНК .
П РОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА М РНК
При транскрипции участков ДНК , несущих информацию о белках , образуются гетеро -
генные ядерные РНК , по размеру намного преhkoh^ysb_ мРНК . Дело в том , что из- за мо -
заичной структуры генов эти гетерогенные РНК dexqZxl в себя информатиgu_ (экзоны )
и неинформатиgu_ (интроны ) участки .
1. Сплайсинг (англ . splice – склеивать klud ) – особый процесс , в котором при участии
малых ядерных РНК происходит удаление интронов и сохранение экзонов.


Матричные биосинтезы 11
2. Кэпирование (англ . cap – шапка ) – происходит еще h j_fy транскрипции . Процесс
состоит в присоединении к 5'- трифосфату концеh]h нуклеотида пре -мРНК 5'-углерода
N
7- метил -гуанозина .
"Кэп " необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз , работающих с 5'- конца , а
также для сyauания мРНК с рибосомой и для начала трансляции .

3. ПолиаденилироZgb_ – при помощи полиаденилат -полимеразы с использоZgb_f
молекул АТФ происходит присоединение к 3'- концу РНК от 100 до 200 аденилоuo нуклео -
тидов , формирующих поли (А )-хвост . Поли (А )-хhkl необходим для защиты молекулы РНК
от экзонуклеаз , работающих с 3'- конца .
П РОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА Р РНК
Предшест_ggbdb рРНК яeyxlky более крупными молекулами по сраg_gbx со зре -
лыми рРНК . Их созреZgb_ сh^blky к разрезанию прерибосомной РНК на более мелкие
формы , которые уже непосредст_ggh участвуют в формироZgbb рибосомы . У эукариот
сущестmxl 5S-, 5,8S-, 18S-, и 28S- рРНК. При этом 5S-рРНК синтезируется отдельно , а боль -
шая прерибосомная 45S-РНК расщепляется специфичными нуклеазами с образоZgb_f
5,8S- рРНК , 18S-рРНК , и 28S- рРНК.
У прокариот молекулы рибосомальной РНК соk_f иные по сhbf сhcklам (5S-, 16S-
, 23S- рРНК), что яey_lky осноhc изобретения и использоZgby ряда антибиотиков в меди -
цине
П РОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА Т РНК
1. ФормироZgb_ на 3'- конце последоZl_evghklb Ц -Ц -А . Для этого у одних
пре -тРНК с 3'- конца удаляются лишние нуклеотиды до " обнажения " триплета Ц -Ц -А , у дру -
гих идет присоединение этой последоZl_evghklb .
2. ФормироZgb_ антикодоноhc петли происходит путем сплайсинга и удаления ин-
трона в средней части пре -тРНК .
3. Модификация нуклеотидов в молекуле путем дезаминироZgby , метилироZgby ,
hkklZghления . Например, образоZgb_ псе^hmjb^bgZ и дигидроуридина .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 12

Р ЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ
Так как транскрипция сyauает ядро – "мозг " клетки , ее "банк знаний " и белки , "рабо -
чих лошадок" клетки, то от качестZ и актиghklb транскрипции заbkbl объем синтеза тех
или иных белков, жизнедеятельность клетки , ее способность адаптироZlvky к окружающей
обстаноd_ .
У прокариот и эукариот регуляция транскрипции происходит, естест_ggh, по- разному ,
хотя некоторые моменты похожи

П РОКАРИОТЫ
Регуляция биосинтеза белка у прокариот осущестey_lky на уровне транскрипции
мРНК . В настоящее j_fy принята теория оперона , сформулироZggZy Франсуа Жакобом и
Жаком Моно. В осно_ теории лежат следующие понятия:
o конституитиgu_ ферменты – те, которые присутствуют в клетках k_]^Z , незаbkb -
мо от ее актиghklb ,
o индуцибельные ферменты – те, которые синтезируются при пояe_gbb субстрата,
o оперон – группа тесно сyaZgguo между собой генов (несколько структурных генов
и один ген-оператор), которые регулируют образоZgb_ ферментов в организме ,
o ген- регулятор – ген, регулирующий работу оперона , но не oh^ysbc в его состав . Он
синтезирует белок -регулятор (чаще назыZ_fuc белок -репрессор ), который может
быть в актиghc или неактиghc форме.

Лактозный оперон
Лактозный оперон в целом от_qZ_l за катаболизм лактозы.
При изучении E.coli было замечено , что в клетке может быть д_ aZbfhbkdexqZxsb_
ситуации :

Матричные биосинтезы 13
o актиghklv одного из ферментов катаболизма лактозы низка , если в среде имеется
глюкоза .
o но актиghklv этого фермента резко поurZ_lky в обратной ситуации , т.е . при от-
сутстbb глюкозы и при наличии лактозы.
На осноZgbb этих наблюдений была предложена схема регуляции оперона по меха -
низму индукции :
1. В отсутстb_ лактозы актиguc белок -репрессор сyauается с оператором и блокирует
синтез мРНК , кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате эти ферменты
не образуются .
2. Если глюкозы нет, а лактоза есть, то последняя сyauается с белком -репрессором и ин-
гибирует его , не даZy сyaZlvky с геном -оператором . Это позволяет РНК -полимеразе
считыZlv информацию , от_qZxsmx за синтез ферментов катаболизма лактозы , и син-
тезироZlv мРНК .
Таким образом , лактоза яey_lky индуктором транскрипции .

Триптофаноuc оперон
Триптофаноuc оперон в целом от_qZ_l за синтез триптофана .
ФункционироZgb_ триптофаноh]h оперона в некотором смысле протиhiheh`gh лак-
тозному . Регуляция осущестey_lky по механизму репрессии.
1. В отличие от лактозного оперона , белок -репрессор синтезируется в неактиghf состоя -
нии и не может заблокироZlv транскрипцию генов , кодирующих ферменты синтеза
триптофана . Синтез этой аминокислоты будет в клетке продолжаться до тех пор, пока в
питательной среде не пояblky триптофан .
2. Триптофан соединяется с белком -репрессором и актиbjm_l его. Далее такой актиguc
комплекс присоединяется к гену -оператору и блокирует транскрипцию . Таким образом ,
при наличии триптофана в среде прекращается его gmljbde_lhqguc синтез , экономят -
ся ресурсы и энергия бактериальной клетки.
В этом случае триптофан яey_lky репрессором транскрипции .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 14

Э УКАРИОТЫ
Внутриклеточная регуляция
Сущест_ggh_ усложнение эукариотических организмов поe_deh за собой пояe_gb_
ноuo способов регуляции актиghklb транскрипции .
Амплификация – это увеличение количестZ генов , точнее многократное копироZgb_
одного гена . Естест_ggh , k_ полученные копии раghagZqgu и одинакоh актиgh обеспе -
чиZxl транскрипцию .
Энхансеры (англ . to enhance усиливать) – это участки ДНК в 10-20 пар осноZgbc, спо-
собные значительно усилиZlv экспрессию генов той же ДНК . В отличие от промоторов они
значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом
напраe_gbb (к 5'- концу или к 3'- концу ). Сами энхансеры не кодируют какие -либо белки , но
способны сyauаться с регуляторными белками (подаeyxsbfb транскрипцию).
Сайленсеры (англ . silence – молчание) – участки ДНК , в принципе схожие с энхансе -
рами , но они способны замедлять транскрипцию генов , сyauаясь с регуляторными белка -
ми (которые ее актиbjmxl ).
Перестройка генов . К подобным процессам относится кроссинго_j – обмен участ -
ками гомологичных хромосом , и более сложный процесс – сайт-специфичная рекомбина -
ция , которая изменяет положение и порядок нуклеотидных последоZl_evghkl_c в геноме .
Процессинг мРНК – некоторые пре -мРНК под_j]Zxlky разным ZjbZglZf сплайсин -
га (альтернатиguc сплайсинг ) в результате чего образуются разные мРНК , и соот_lkl-
_ggh , белки с разной функцией .
Изменение стабильности мРНК – чем ur_ продолжительность жизни мРНК в цито -
золе клетки , тем больше синтезируется соот_lklующего белка.
Лекарст_ggZy регуляция
ИнгибироZgb_
1. Гетероциклические соединения доксорубицин , дауномицин и актиномицин D об -
ладают способностью интеркалироZlv (kljZbаться между нитей молекулы ДНК ) между
двумя соседними парами осноZgbc Г -Ц . В результате hagbdZ_l препятстb_ для дb`_gby
РНК -полимеразы ("заедание молнии") и останоdZ транскрипции .
2. Рифампицин сyauается с β -субъединицей РНК -полимеразы прокариот и ингиби -
рует ее . Благодаря такой избирательности дейстby рифампицин действует только на бакте -
рии и яey_lky препаратом для лечения туберкулеза .
3. α-Аманитин , октапептид бледной поганки (Amanita phalloides) блокирует
РНК -полимеразу II эукариот и предотjZsZ_l продукцию мРНК .

Матричные биосинтезы 15
АктиZpby
АктиZpby транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в при-
менении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффекта в органе -
мишени (см "Гормоны "/"Механизм дейстby стероидных гормонов").
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический (биологический ) код – это способ переh^Z четырехзначного (А , Г , У , Ц )
языка нуклеотидов в дZ^pZlbagZqguc язык аминокислотной последоZl_evghklb .
Сhcklа биологического кода
Триплетность – три нуклеотида формируют кодон, кодирующий аминокислоту . Всего
насчитыZxl 61 смыслоhc кодон.
Специфичность (или однозначность ) – каждому кодону соот_lklует только одна
аминокислота .
Вырожденность – одной аминокислоте может соот_lklоZlv несколько кодонов.
Уни_jkZevghklv – биологический код одинаков для k_o b^h\ организмов на Земле
( однако в митохондриях млекопитающих есть исключения ).
Колинеарность – последоZl_evghklv кодонов соот_lklует последоZl_evghklb ами-
нокислот в кодируемом белке.
НеперекрыZ_fhklv – триплеты не накладыZxlky друг на друга , располагаясь рядом.
Отсутстb_ знаков препинания – между триплетами нет дополнительных нуклеоти -
дов или каких -либо иных сигналов.
Однонапраe_gghklv – при синтезе белка считыZgb_ кодонов идет последоZl_evgh ,
без пропусков или haратов назад.
АДАПТОРНАЯ РОЛЬ ТРАНСПОРТНЫХ РНК
Транспортные РНК яeyxlky единст_gguf посредником между 4-х бук_gghc после -
доZl_evghklvx нуклеиноuo кислот и 20-ти бук_gghc последоZl_evghklvx белков. Имен-
но от наличия того или иного антикодона в тРНК заbkbl, какая аминокислота dexqblky в
белковую молекулу, т.к. ни рибосома , ни мРНК не узнают аминокислоту . Таким образом ,
адапторная роль тРНК заключается : 1) в специфичном сyauании с аминокислотами , 2) h
dexq_gbb аминокислот в белкоmx цепь в соот_lklии с матрицей мРНК .
Специфичное присоединение аминокислоты к тРНК осущестey_lky ферментом ами-
ноацил -тРНК -синтетазой , имеющей специфичность одноj_f_ggh к дmf соединениям :
какой -либо аминокислоте и соот_lklующей ей тРНК . Для реакции требуется д_ макроэр -
гические связи АТФ . Аминокислота присоединяется к 3'- концу акцепторной петли тРНК че -
рез α-карбоксильную группу , и сyav между аминокислотой и тРНК станоblky макроэрги -
ческой . α-Аминогруппа остается сh[h^ghc .

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 16

Так как существует около 60 различных тРНК , то некоторым аминокислотам соот_l-
стm_l по д_ или более тРНК . Различные тРНК , присоединяющие одну аминокислоту , назы-
Zxl изоакцепторными .
ТРАНСЛЯЦИЯ
Трансляция (англ . translation – переh^ ) – это биосинтез белка на матрице мРНК.
После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков . Ка -
ждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи . Если клетке
необходимы другие белки, то необходимо транскрибироZlv мРНК с иных участков ДНК.
Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах , gmljbde_lhqguo белок -
синтезирующих органеллах, и dexqZ_l 5 ключеuo элементов:
o матрица – матричная РНК ,
o растущая цепь – полипептид ,
o субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,
o источник энергии – ГТФ,
o рибосомальные белки, рРНК и белкоu_ факторы.
Выделяют три осноguo стадии трансляции : инициация , элонгация , терминация .
И НИЦИАЦИЯ
Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы,
три белкоuo фактора инициации (ИФ -1, ИФ -2, ИФ -3), метионин и тРНК для метионина .
В начале этой стадии формируются дZ тройных комплекса :
o перuc комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,
o lhjhc комплекс – метионил -тРНК + ИФ -2 + ГТФ.

Матричные биосинтезы 17
После формироZgby тройные комплексы объединяются с большой субъединицей ри-
босомы . В этом процессе актиgh участвуют белкоu_ факторы инициации , источником
энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил -тРНК сyauается
с перuf кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П -центре (пептидильный центр )
большой субъединицы . А -центр (аминоацильный центр ) остается сh[h^guf , он будет за -
дейстhан на стадии элонгации для сyauания аминоацил-тРНК .

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации .
Э ЛОНГАЦИЯ
Для этой стадии необходимы k_ 20 аминокислот , тРНК для k_o аминокислот , белко -
u_ факторы элонгации , ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 ами-
нокислот в секунду .
Элонгация предстаey_l собой циклический процесс . Второй цикл (и следующие цик -
лы ) элонгации dexqZ_l три шага:
1. Присоединение аминоацил -тРНК (еще lhjhc) к кодону мРНК (еще lhjhfm ), аминокис-
лота при этом kljZbается в А -центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.
2. Фермент пептидилтрансфераза осущестey_l перенос метионина с метионил -тРНК (в
П -центре ) на lhjmx аминоацил -тРНК (в А -центре ) с образоZgb_f пептидной сyab
между метионином и lhjhc аминокислотой . При этом уже актиbjhанная СО -
ОН- группа метионина сyauается со сh[h^ghc NH
2-группой lhjhc аминокислоты .
Здесь источником энергии служит макроэргическая сyav между аминокислотой и тРНК.

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 18
3. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом , что
перuc кодон АУГ оказыZ_lky g_ рибосомы , lhjhc кодон станоblky напротив
П -центра , напротив А-центра оказыZ_lky третий кодон . Для этих процессов необходима
затрата энергии ГТФ . Так как f_kl_ с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК ,
то инициирующая перZy тРНК uoh^bl из рибосомы, lhjZy тРНК с дипептидом поме -
щается в П -центр .


Матричные биосинтезы 19

4. Второе поlhj_gb_ цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил -тРНК к
третьему кодону мРНК, аминокислота -3 станоblky в А -центр . Далее трансферазная ре -
акции поlhjy_lky и образуется трипептид , занимающий А -центр , после чего он смеща -
ется в П -центр в транслоказной реакции..
5. В пустой А-центр oh^bl чет_jlZy аминоацил -тРНК и k_ поlhjy_lky .
Цикл элонгации (реакции 1,2,3) поlhjy_lky столько раз, сколько аминокислот необхо -
димо dexqblv в полипептидную цепь.
ТЕРМИНАЦИЯ
Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых
терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА , УАГ , УГА . Данные триплеты не кодируют
ни одной из аминокислот , их также назыZxl нонсенс -кодоны . При oh`^_gbb этих кодонов
gmljv рибосомы происходит актиZpby белкоuo факторов терминации , которые последо -
Zl_evgh катализируют :
1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
2. Отделение от П-центра последней , уже пустой , тРНК.
3. Диссоциацию рибосомы.
Источником энергии для за_jr_gby трансляции яey_lky ГТФ.

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 20

П ОЛИРИБОСОМЫ
По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК не_ebdZ , перед клет -
кой стоит задача использоZlv ее максимально эффектиgh , т.е . получить максимальное ко -
личестh "белкоuo копий ". Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагать -
ся не одна , а несколько рибосом , klZxsbo последоZl_evgh друг за другом и синтезирую -
щих пептидные цепи. Такие образоZgby назыZxlky полирибосомы .
П ОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ
БЕЛКОВ
Чаще k_]h в результате трансляции полипептидные цепи образуются в неактиghc
форме , поэтому необходимы дополнительные изменения – процессинг .
К реакциям процессинга относятся:
1. Удаление с N- конца метионина или даже нескольких аминокислот специфичными амино-
пептидазами .
2. ОбразоZgb_ дисульфидных мостиков между остатками цистеина.
3. Частичный протеолиз – удаление части пептидной цепи , как в случае с инсулином или
протеолитическими ферментами ЖКТ .
4. Присоединение химической группы к аминокислотным остаткам белкоhc цепи :
o фосфорной кислоты – например , фосфорилироZgb_ по Сер , Тре , Тир используется
при регуляции актиghklb ферментов или для сyauания ионов кальция ,
o карбоксильной группы – например , при участии blZfbgZ К происходит
γ -карбоксилироZgb_ глутамата в соста_ протромбина , прокон_jlbgZ , фактора Стю -
арта , Кристмаса , что позhey_l сyauать ионы кальция при инициации с_jluания
кроb ,
o метильной группы – например , метилироZgb_ аргинина и лизина в соста_ гистонов
используется для регуляции актиghklb генома,
o гидроксильной группы – например , образование гидроксипролина и гидроксилизина
необходимо для созреZgby молекул коллагена при участии blZfbgZ С,
o йода – например , в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образоZgby
предшест_ggbdh\ тиреоидных гормонов йодтиронинов,

Матричные биосинтезы 21
5. Включение простетической группы:
o углеh^guo остатков – например , гликироZgb_ требуется при синтезе гликопротеи -
нов .
o гема – например , при синтезе гемоглобина , миоглобина, цитохромов , каталазы,
o blZfbgguo коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т .п.
6. Объединение протомеров в единый олигомерный белок , например , гемоглобин , лактатде -
гидрогеназа , креатинкиназа .
Ф ОЛДИНГ БЕЛКОВ
Фолдинг – это процесс укладки ulygmlhc полипептидной цепи в праbevgmx трех-
мерную пространст_ggmx структуру . Для обеспечения фолдинга используется группа kih -
могательных белков под назZgb_f шапероны (chaperon, франц . – спутник , нянька ). Они
предотjZsZxl aZbfh^_cklие ноhkbgl_abjhанных белков друг с другом , изолируют
гидрофобные участки белков от цитоплазмы и " убирают " их gmljv молекулы, праbevgh
располагают белкоu_ домены . В целом шапероны способствуют переходу структуры бел -
ков от перbqgh]h уровня до третичного и чет_jlbqgh]h .
При нарушении функции шаперонов и отсутстbb фолдинга в клетке формируются
белкоu_ отложения – разbается амилоидоз . НасчитыZxl около 15 ZjbZglh\ амилоидо -
за .
Л ЕКАРСТВЕННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ
1. ИнактиZpby факторов инициации
o интерферон актиbjm_l gmljbde_lhqgu_ протеинкиназы , которые , в сhx очередь ,
фосфорилируют белкоuc фактор инициации ИФ-2 и подаeyxl его актиghklv .
2. Нарушение кодон-антикодоноh]h aZbfh^_cklия
o стрептомицин присоединяется к малой субъединице и uauает ошибку считыZgby
перh]h осноZgby кодона.
3. Блокада стадии элонгации
o тетрациклины блокируют А-центр рибосомы и лишают ее способности сyauаться
с аминоацил -тРНК ,
o леhfbp_lbg сyauается с 50S- частицей рибосомы и ингибирует пептидил -
трансферазу ,
o эритромицин сyauается с 50S- частицей рибосомы и ингибирует транслоказу ,
o пуромицин по структуре схож с тирозил -тРНК , oh^bl в А -центр рибосомы и участ -
m_l в пептидилтрансферазной реакции , образуя сyav с имеющимся пептидом . После
этого комплекс пуромицин -пептид отделяется от рибосомы, что останаebает синтез
белка .
ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ
В результате того, что каждый ген у чело_dZ имеется в двух копиях (аллелях ) и может
под_j]Zlvky мутациям (замена , делеция , klZка ) и рекомбинациям , серьезно не затраги -
Zxsbf функцию кодируемого белка , то hagbdZ_l полиморфизм генов , и, соот_lklенно ,
полиморфизм белков . Возникают целые семейстZ родст_gguo белков, обладающих схо-
жими, но неодинакоufb сhcklами и функцией .
Например, существует около 300 разных типов гемоглобина , часть из них яey_lky не -
обходимой на разных этапах онтогенеза : например , HbE – эмбриональный , образуется в пер-
u_ месяцы разblby , HbF – фетальный , необходим на более поздних сроках разblby плода ,
HbA и HbA
2 – гемоглобин ajhkeuo . Разнообразие обеспечиZ_lky полиморфизмом глобино -

www.biokhimija.ru Тимин О .А . Лекции по биологической химии 22
uo цепей : в гемоглобине E присутствуют 2α и 2 ε цепи , в HbF – 2 α- и 2 γ- цепи , в Hb А – 2α-
и 2β -цепи , в Hb А
2 – 2 α- и 2δ -цепи .
Группы кроb АВ 0 заbkyl от строения особого углевода на мембране эритроцитов .
Лица с группой кроb А 0 на эритроците имеют олигосахарид с присоединенным к нему
N- ацетилгалактозамином , с группой кроb В 0 – олигосахарид с галактозой , 00 – имеют толь -
ко "чистый " олигосахарид , с группой кроb АВ – олигосахарид и с N- ацетилгалактозамином ,
и с галактозой . Такие различия обуслоe_gu разной специфичностью и актиghklvx фер-
мента гликозил -трансферазы , способного модифицироZlv исходный олигосахарид .
Белки глаgh]h комплекса гистосоf_klbfhklb обеспечиZxl трансплантационную
несоf_klbfhklv тканей . Они обладают чрезuqZcgh ukhdbf полиморфизмом , в целом на -
считыZxl несколько миллионов аллелей этих белков. Благодаря такому разнообразию каж -
дый чело_d обладает практически уникальным набором аллелей.
X