Биосинтез белка и его регуляция

Формат документа: pdf
Размер документа: 1.96 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.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО

Подготоbl_evguc факультет
Кафедра довузоhc подготоdb




А.Н. Леонтьева


БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ

Учебно-методическое
пособие













Нижний Но]hjh^, 2005

2 Биосинтез белка и его регуляция. Пособие для школьников, абитуриентов, студентов/ Аlhj
кандидат биологических наук, доцент А.Н. ЛеонтьеZ − Нижний Но]hjh^, Нижегородский
государст_gguc уни_jkbl_l им. Н.И.Лобачеkdh]h 2005 г.









С учетом но_crbo достижений биохимии рассмотрена проблема биосинтеза белка и его
регуляции.
Пособие предназначено для школьников и абитуриентов, интересующихся проблемами
биохимии
и молекулярной биологии. ОсноgZy цель − расширить кругозор читателя,
ознакомить его с соj_f_gguf состоянием наших знаний в области биосинтеза белка и его
регуляции, помочь преодолеть различия между школьным и уни_jkbl_lkdbf курсами
биологии.
Пособие будет полезным учителям средней школы и студентам младших курсов,
специализирующимся по биологии.












Нижегородский государст_gguc уни_jkbl_l
им. Н
.И.Лобачеkdh]h, 2005

3
ВВЕДЕНИЕ
Выяснение механизма биосинтеза белков h k_f многообразии их b^hой
специфичности и биологической актиghklb было одной из крупнейших проблем
биохимической науки. Лишь к концу XX столетия были uykg_gu k_ осноgu_ принципы,
на которых осноuается этот процесс, и расшифроZgu структуры биологических
макромолекул, принимающих в нем участие.
В эукариотических клетках для белкового
синтеза необходимы около 300
специфических макромолекул, в том числе сur_ 70 рибосомных белков, не менее 20
актиbjmxsbo ферментов, более 10 kihfh]Zl_evguo ферментов и особых белкоuo
факторов, сur_ 70 b^h\ транспортных и рибосомных РНК, множестh матричных и
низкомолекулярных ядерных РНК. В процессах созреZgby белков участвует не менее 100
дополнительных ферментов. Многие из этих макромолекул собраны в сложные трехмерные

структуры и органеллы.
Вскрыты и фундаментальные закономерности, на которых осноuается биосинтез
белков: биологическое кодироZgb_, принцип комплементарности, сборка биополимеров на
матрицах.
Пособие предназначено для и абитуриентов и школьников, интересующихся
проблемами биохимии и молекулярной биологии, и студентов младших курсов. ОсноgZy
цель − ознакомить читателя с соj_f_gguf состоянием наших знаний в области биосинтеза
белка и его регуляции, помочь преодолеть различия между школьным курсом биологии и
уни_jkbl_lkdbf.

4 1. Молекулярная организация генетического материала клетки

Белки синтезируются под прямым контролем генетического материала клетки.
ПерbqgZy структура k_o белков клетки закодироZgZ в молекулах ДНК, состаeyxsbo
основу хромосом. Ген
- это участок ДНК, кодирующий синтез одной молекулы (белка или
РНК).
Генетическая информация переписыZ_lky с ДНК на мРНК (транскрипция
), а затем
переh^blky в аминокислотную последоZl_evghklv белкоhc молекулы (трансляция
) с
помощью рибосом (рис. 1). Образующиеся полипептидные цепи определяют признаки
клетки и f_kl_ с тем целого организма. Так происходит экспрессия
(прояe_gb_)
генетической информации.

Рис. 1. Транскрипция и трансляция мРНК прокариот (а); транскрипция, процессинг и
трансляция мРНК эукариот (б).

Геном
- это соhdmighklv генов гаплоидного набора хромосом данного b^Z
организмов. Плазмон
- соhdmighklv генов g_y^_jguo ДНК, содержащихся в цитоплазме,
то есть в митохондриях, пластидах и т.п. Геном b^hki_pbnbq_g, кодирует синтез
b^hki_pbnbq_kdbo белков и структур.

5 ИсследоZgb_ геномов dexqZ_l в себя анализ последоZl_evghkl_c нуклеотидов в
цепи ДНК. C этой целью используются ноu_ физические, химические, математические
методы, специальные машины – роботы, мощные компьютерные программы. Этим заложены
осноu ноhc науки − которая получила назZgb_ геномики.

Число генов Zjvbjm_l в широких пределах - от 9 у мелкого бактериофага до 25 тысяч у
чело_dZ (табл. 1).
Таблица 1
Число генов, полученное на осно_ расчетов или в результате расшифроdb
последоZl_evghkl_c нуклеотидов в геномах

Таксон Вид Число генов
Вирусы Бактериофаг ØX174 9
Mycoplasma genitalium 473
Bacillus subtitilis 4200 Прокариоты
Escherichia coli 4300
Грибы
Saccharomyces cerevisiae 6200
Членистоногие
Drosophila melanogaster 12 000
Моллюски
Loligo peali > 35 000
Хордоu_

рыба
Fugu rubripes 70 000
мышь
Mus musculus 70 000
чело_d
Homo sapiens 22 000
Растения

табак
Nicotiana tabacum 43 000
арабидопсис
Arabidopsis thaliana 16 000 – 33 000

Общими для k_o организмов яeyxlky закономерности записи наследст_gghc
информации, принципы экспрессии генов в фенотипе – транскрипция и трансляция. Однако
организация наследственного материала у прокариот и эукариот имеет сhb особенности.
К 2000 году последоZl_evghklb ДНК просто устроенных бактерий (50-60 b^h\) и
bjmkh\ расшифроZgu с точностью до одного нуклеотида. Выделенные из bjmkguo частиц
молекулы ДНК
имеют либо линейную, либо кольцеmx форму, дmo- или одноцепочечную.
В клетках прокариот наследст_ggZy информация содержится чаще k_]h в единст_gghc
кольцеhc молекуле ДНК, которая располагается непосредст_ggh в цитоплазме клетки.
Например, ДНК кишечной палочки (E.coli) имеет длину около 1 мм, состоит из 4*10
6 п.н. и

6 образует 4 300 генов. Большинстh последоZl_evghkl_c нуклеотидов уникальны, кодируют
белки и РНК.
Эукариоты содержат ДНК в хромосомах ядра. Количестh ДНК в эукариотических
клетках в десятки, сотни, тысячи раз больше, чем у прокариот.
Так, у чело_dZ ДНК состоит из 3,2 - 3,5 млрд нуклеотидов, ее длина в диплоидном
наборе состаey_l 174 см. Структурные гены состаeyxl лишь около
3%. Роль остальных
участков не раскрыта, они не транскрибируются и получили назZgb_ «молчащей» или
"эгоистической" ДНК.
Избыточность ДНК эукариот объясняется также прерыbklhc организацией
большинстZ генов. Кодирующие последоZl_evghklb экзоны
чередуются с не
кодирующими – интронами.
Количестh таких участков Zjvbjm_l в разных генах.
Например, ген оZev[mfbgZ кур включает 7 нитронов, а ген проколлагена млекопитающих -
50. Эти участки транскрибируются, а затем удаляются из перbqgh]h транскрипта по
средстhf сплайсинга
(см. ниже).
В хромосомах эукариот ДНК находится в спирализоZgghf состоянии. Выделяют
несколько уроg_c компактизации хроматина. Перuc уро_gv – нуклеосомный
.
ДиспергироZgguc хроматин u]ey^bl в электронном микроскопе как цепочка бусин.
Сердцеbgm нуклеосомы образует белкоuc кор
, состоящий из hkvfb (по д_ молекулы
каждого b^Z) простых щелочных белков - гистонов. На белкоuc кор, имеющий форму
шайбы, «накручен» участок ДНК длиной 146 п.н. Сh[h^gu_ участки ДНК, соединяющие
нуклеосомы, назыZxl линкерными
(сyamxsbfb), они содержат от 15 до 100 п.н. Отрезок
молекулы ДНК длиной около 200 п.н. f_kl_ с белкоuf кором состаey_l нуклеосому.
Дальнейшая компактизация хроматина обеспечиZ_lky белком гистоном HI. Он
соединяется с линкерной ДНК и двумя соседними нуклеосомами, сближает их друг с другом,
образуя построенную по типу соленоида структуру, имеющую диаметр 20-30 нм,
назыZ_fmx
элементарной фибриллой . Фибрилла укладыZ_lky в петли с помощью
специальных (негистоноuo) белков. Предполагают, что каждая петля яey_lky
функциональной единицей генома. В результате такой упаковки получается структура
диаметрш 100-200 нм, она назыZ_lky интерфазной хромонемой
(рис. 2-4). Отдельные
участки хромонемы под_j]Zxlky дальнейшей компактизации, соседние петли
объединяются в структурные блоки
, которые uy\eyxlky в интерфазном ядре в b^_ глыбок
хроматина. Эухроматиноu_
участки хромосом отличаются меньшей плотностью упаковки и
могут транскрибироZlvky, однако для транскрипции необходима декомпактизация
хроматина и j_f_ggh_ ослабление сyab ДНК с гистонами. Гетерохроматиноu_ участки

обладают очень компактной организацией и генетически инертны.

7

Рис. 2. ХроматиноZy фибрилла диаметром 20 - 30 нм. А - соединение соседних
нуклеосом с помощью гистона HI; Б — цепочка хроматиноuo глыбок, образуемых
нуклеосомами и разделенных участками ДНК, сh[h^gufb от белкоuo тел; В - hafh`gZy
модель упаковки ДНК в хроматиноhc фибрилле в b^_ соленоида.

8

Рис. 3. Петельная структура хроматина – интерфазная хромонема А – хроматиноZy
фибрилла с присоединенными к ней негистоноufb белками; Б – образоZgb_ петли на
участке хроматиноhc фибриллы; В – схема петельной организации участка хромасомы.

9

Рис. 4. Структурные блоки в организации хроматина. А - петельная структура
хроматина; Б - дальнейшая конденсация хроматиноuo петель; В - объединение петель,
имеющих сходную структуру, в блоки с образоZgb_f окончательной формы интерфазной
хромосомы.

Вступление клетки из интерфазы в митоз сопроh`^Z_lky дальнейшей
суперспирализацией хроматина.
В разные периоды онтогенеза освобождаются от гистонов и транскрибируются те или

иные гены ДНК, отличающиеся в разных клетках, что приh^bl к разblbx организма.
Таким образом, геном имеет определенный язык программироZgby, собст_ggmx
программу, записанную в ДHK в голографическом b^_.

2. Роль рибонуклеиноuo кислот в белкоhf синтезе

Генетическая информация о структуре специфических белков, закодироZggZy в ДHK,
переносится из ядра в цитоплазму с помощью
молекул РНК. В цитоплазме осущестey_lky

10 биосинтез белка на рибосомах. Образующиеся белки определяют признаки клетки, а f_kl_ с
тем целого организма. Так происходит экспрессия
(прояe_gb_) генетической информации.
Непосредст_ggh_ участие в биосинтезе белка принимают молекулы РНК трех b^h\:
транспортная РНК (тРНК), рибосомная РНК (рРНК) и матричная, или информационная PНK
(мРНК). Количестh РНК в каждой клетке находится в прямой заbkbfhklb от количестZ
ujZ[Zluаемого белка. Все b^u РНК синтезируются непосредст_ggh на ДНК, которая
служит матрицей
2.1. Транспортная
РНК (тРНК) . Важная роль в процессе использоZgby наследст_gghc
информации клеткой принадлежит тРНК. Достаeyy необходимые аминокислоты к месту
сборки пептидных цепей, тРНК uihegy_l функцию посредника. Каждой аминокислоте
соот_lklуют д_ или большее число специфических тРНК.
Молекулы тРНК предстаeyxl собой полинуклеотидные цепи, состоящие из
относительно небольшого числа нуклеотидов − 75 - 95, что соот_lklует молекулярной
массе 24 000 - 31 000 дальтон. В
структуре разных тРНК: uyлено много общих черт. Так,
h k_o тРНК 8 или более, нуклеотидов содержат необычные (модифицироZggu_) азотистые
осноZgby, которые предстаeyxl собой произh^gu_ глаguo осноZgbc. В большинст_
тРНК на 5’-конце находится гуанин, а на 3’-конце k_o тРНК присутствует
последоZl_evghklv из трех нуклеотидов – ЦЦА.
В результате комплементарного соединения осноZgbc, которые находятся в
разных
участках полинуклеотидной цени тРНК, она приобретает структуру, напоминающую по
форме лист кле_jZ. В ней u^_eyxl четыре глаgu_ части, uihegyxsb_ различные
функции. Центральная антикодоноZy _lь
содержит антикодон – специфический триплет
нуклеотидов, который комплементарен соот_lklующему кодону мРНК и может
образоuать с ним h^hjh^gu_ сyab.
На протиhiheh`ghc стороне располагается акцепторный стебель
, который
присоединяет специфическую для тРНК аминокислоту к последовательности ЦЦA, стоящей
на 3’-конце.
Ветv 1, содержащая минорный нуклеотид дигидроуридин, обеспечиZ_l контакт тРНК
с рибосомой, а _lь 3, содержащая псе^hmjb^bg, - с ферментом АРСазой (рис.5).

11

Рис. 5. Строение типичной молекулы тРНК

Изучение кристаллов тРНК методом рентгеноструктурного анализа показало, что
трехмерная структура этих молекул напоминает пере_jgmlmx латинскую букm L, на
короткой _lи которой и располагается антикодон (рис. 6.).

Рис. 6. Трехмерная структура дрожжеhc фенилаланиноhc тРНК, устаноe_ggZy
методом рентгеноструктурного анализа с разрешением 3 Å. Она напоминает пере_jgmlmx
латинскую букm L.

12 2.2. Рибосомная РНК (рРНК)
состаey_l более 80% k_c РНК клетки. Она кодируется
особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах и расположенными в зоне
ядрышка, назыZ_fhc ядрышкоuf организатором
. В клетках чело_dZ содержится около
100 копий гена рРНК, локализоZgguo грушами на пяти хромосомах. С этого гена
"списыZ_lky" перbqguc транскрипт, который разделяется на 3 молекулы: 28S, 18S и 5,8S
рРНК. рРНК сyauается с белкоufb молекулами, образуя f_kl_ с ними клеточные
органеллы – рибосомы, которые находятся преимущест_ggh в цитоплазме. На рибосомах
протекает синтез белка.
Каждая рибосома
состоит из двух субчастиц – большой и малой. В эукариотической
рибосоме малая субчастица 40S состоит из одной молекулы рРНК и 33-х молекул разных
белков, большая - из трех разных молекул рРНК и около 40 белков. Прокариотические
рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов и имеют
меньшие размеры. Молекулы рРНК uihegyxl, прежде k_]h, роль
каркасов, на которых в
строго определенном порядке крепятся рибосомные белки. Кроме того, рРНК обеспечивает
сyauание рибосомы с определенной нуклеотидной последоZl_evghklvx мРНК, благодаря
чему устанаebается начало считыZgby информации при образоZgbb полипептидной
цепи. 28S рРНК имеет каталитическую актиghklv, то есть яey_lky рибозимом
.
Специальные участки (или функциональные центры
) рибосомы обеспечиZc ее
aZbfh^_cklие с тРНК. В первом - аминоациальном (А – центре
) размещается тРНК,
несущая аминокислотный остаток (аминоацил-тРНК
). В P-центре (пептидильном)
располагается тРНК, нагруженная цепочкой аминокислот, то есть растущим полипептидом.
Участки образуются благодаря aZbfh^_ckl\bx обеих субчастиц рибосом. В каждый момент
биосинтеза белка в центрах рибосомы помещаются дZ кодона мРНК, которые
aZbfh^_cklуют с двумя соот_lklующими им тРНК.
Рибосомные субчастицы имеют замыслоZlmx форму, обеспечивающую uiheg_gb_
ими их функций. Они "пригнаны" друг к другу,
но между ними остается щель. Через щель
проходит "прочитанная" молекула мРНК, отсюда же u^игается ноhkbgl_abjhанная
полипептидная цепь (рис. 7).
Существует четкое "разделение труда" между субчастицами рибосомы: малая
субчастица от_qZ_l за прием и декодироZgb_ генетической информации, то есть uihegy_l
генетические функции, в то j_fy как большая обеспечиZ_l энзиматические реакции в
процессе трансляции. Предполагают
, что образоZgb_ пептидной сyab (реакция
транспептидации ) катализируется пептидилтрансферазным центром рибосомы, и осноghc
deZ^ ghkbl рРНК.

13

Рис. 7. Расположение функциональных центров на малой (ерху) и большой (gbam)
субчастицах рибосомы. Цепь мРНК сyaZgZ с малой субчастицей в районе ее "шеи" и
протягиZ_lky через этот мРНК-сyauающий центр в ходе трансляции от 5'-конца
(напраe_g gba и ijZо) к З'-концу (обращен ерх и e_о). Д_ молекулы тРНК занимают
А
- и Р-участки на малой субчастице, будучи сyaZgu сhbfb антикодонами с двумя
смежными кодонами мРНК в районе "шеи" малой субчастицы. Пептидилтрансферазный
центр (РТС) расположен в районе "шеи" (в борозде под центральным uklmihf) большой
субчастицы. Когда субчастицы ассоциироZgu, акцепторные концы дmo тРНК с их
аминоацильным и пептидильным остатками aZbfh^_cklуют с пептидилтрансферазным
центром большой субчастицы.

Рибосомные субчастицы отделяются друг от друга после окончания синтеза
полипептидной цепи.
2.3. Матричная РНК (мРНК)
. Матричная (мРНК) или информационная (иРНК)
состаey_l k_]h 3 – 5% k_c содержащейся в клетке РНК. Она переносит генетическую
информацию от ДНК к рибосомам, где служит матрицей для биосинтеза полипептидных
цепей. В любой данный момент в клетке присутствует чрезuqZcgh сложная смесь сотен
мРНК, каждая из которых кодирует одну или несколько полипептидных цепей. Большинстh
мРНК
существует в клетке в течение короткого j_f_gb, так как распадаются, uihegb\
сhx функцию.
Матричные РНК − это одноцепочечные молекулы caмой разной длины. Минимальная
длина определяется размером полипептидной цепи, которую она кодирует. Например, для
синтеза белка, состоящего из 100 аминокислотных остатков, требуется мРНК из 300
нуклеотидов, поскольку каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов (триплетом
).
Однако мРНК k_]^Z несколько длиннее, так как содержит ряд дополнительных участков.
Так, на 5’-конце имеется некодирующий "лидер" длиной от 25 до 150 осноZgbc. мРНК
прокариот обычно кодируют дZ или большее число полипептидов (их назыZxl

14 полигенными
). Такие мРНК содержат межгенные области, или спейсеры, которые разделяют
отдельные кодирующие участки и, b^bfh, помогают регулироZlv скорость транскрипции.
Эукариотические мРНК обычно яeyxlky моногенными
. Другое отличие
эукариотических мРНК − это наличие в них 5’-концеh]h “кэпа” (от англ. cap – “шапка”),
предстаeyxs_]h собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенного посредстhf
трифосфатной сyab. Кроме того, на сh_f 3’-конце они содержат “хhkl” из 100-200
последоZl_evgh присоединенных остатков А (аденилата). Эти характерные участки
присоединяются к перbqghfm транскрипту эукариотической мРНК в ходе процессинга.

3. Генетический
код и его сhcklа

Генетический код
- это способ записи генетической информации о структуре белков
(полипептидов) посредстhf последоZl_evghklb нуклеотидов в нуклеиноuo кислотах
(ДНК или РНК).
ПоследоZl_evghklv нуклеотидов ДНК однозначно определяет порядок расположения
аминокислот в полипептидной цепи. В то же j_fy химическая природа мономеров
(нуклеотиды и аминокислоты) со_jr_ggh различна, так что они не могут непосредст_ggh
aZbfh^_cklоZlv друг
с другом. К тому же в нуклеиноuo кислотах содержится k_]h 4
нуклеотида, а в белке - 20 аминокислот. Поэтому белок можно рассматриZlv как линейный
текст, записанный при помощи алфаblZ из 20 букв, роль которых играют аминокислоты,
который определяется (кодируется) другим текстом, записанным при помощи алфаblZ из 4-
х букв − нуклеотидов молекулы ДНК. СледоZl_evgh, для
каждой аминокислоты имеется
сhc кодон.
Простые математические расчеты показыZxl, что каждая аминокислота кодируется
более, чем одним нуклеотидом. Однако сочетаний по 2 нуклеотида 4
2 = 16 недостаточно для
кодироZgby 20-ти аминокислот. При сочетании нуклеотидов по 3 получается 4
3 = 64 кодона,
что и реализуется в клетке. "СлоZjv", при помощи которого в мРНК записана информация о
кодируемом ею белке, расшифроZg полностью (таблица 2).
Генетический код имеет следующие особенности.
1. Код триплетный, то есть одну аминокислоту определяет тройка нуклеотидов.
2. Код однозначный (специфичный): каждый кодон обозначает только одну, "сhx"
аминокислоту.
3. Код не имеет “запятых
”, то есть отсутствуют сигналы, показыZxsb_ конец одного
кодона и начало следующего. Поэтому в начале прочтения мРНК должна быть праbevgh
установлена “рамка считыZgby”. Если в результате ha^_cklия мутагенов произойдет

15 uiZ^_gb_ или kljZbание одного нуклеотида, то рамка считыZgby "сбиZ_lky" на один
нуклеотид, и k_ последующие кодоны uc^ml из праbevghc рамки, что при_^_l к
образоZgbx белка с искаженной аминокислотной последоZl_evghklvx (мутации со
сдb]hf рамки считыZgby).

Таблица 2
Генетический код мРНК (подчеркнуты кодоны-терминаторы)

ВТОРАЯ БУКВА
У Ц А Г
У УУУ
УУЦ
УУА
УУГ Фен

Лей УЦУ
УЦЦ
УЦА
УЦГ Сер УАУ
УАЦ
УАА

УАГ
Тир УГУ
УГЦ
УГА

УГГ Цис

Три У
Ц
А
Г
Ц ЦЦУ
ЦУЦ
ЦУА
ЦУГ Лей ЦЦУ
ЦЦЦ
ЦЦА
ЦЦГ Про ЦАУ
ЦАЦ
ЦАА
ЦАГ Гис

Глн ЦГУ
ЦГЦ
ЦГА
ЦГГ Арг У
Ц
А
Г
А АУУ
АУЦ
АУА
АУГ
Иле

Мет АЦУ
АЦЦ
АЦА
АЦГ Тре ААУ
ААЦ
ААА
ААГ Асн

Лиз АГУ
АГЦ
АГА
АГГ Сер

Арг У
Ц
А
Г
П
Е
Р
В
А
Я

Б
У
К
В
А
Г ГУУ
ГУЦ
ГУА
ГУГ Вал ГЦУ
ГЦЦ
ГЦА
ГЦГ Ала ГАУ
ГАЦ
ГАА
ГАГ Асп

Глу ГГУ
ГГЦ
ГГА
ГГГ Гли У
Ц
А
Г Т
Р
Е
Т
Ь
Я

Б
У
К
В
А

4. Генетический код ujh`^_g,
то есть одной аминокислоте может соот_lklоZlv
более, чем один кодон. Только д_ аминокислоты – метионин и триптофан имеют по одному
кодону. Лейцину и серину соот_lklует по 6 кодонов, глицину и аланину - по 4, а
глутаминовой кислоте, тирозину и гистидину - по 2. Если аминокислота кодируется
несколькими кодонами, то в большинст_ случаев они различаются по третьей
бук_, то есть
по нуклеотиду на их 3'- конце. Таким образом, специфичность каждого кодона определяется
глаguf образом его перufb двумя нуклеотидами, третий же имеет меньшую
специфичность.

16
5. Генетический код содержит триплеты, обозначающие начало и окончание синтеза
белка. АУГ - инициирующий
кодон (но h gmlj_gg_f положении он кодирует
аминокислоту метионин). Терминирующие
кодоны - УАГ, УАА, УГА (нонсенс-кодоны) не
кодируют ни одну из из_klguo аминокислот, сигнализируют об окончании синтеза белка.
6. Важным сhcklом генетического кода яey_lky его неперекрыZ_fhklv
, то есть
незаbkbfhklv отдельных триплетов. Вследстb_ этого отсутстmxl ограничения в
последоZl_evghklb аминокислот в белках.
НеперекрыZxsbcky код


ПерекрыZdbscky код
1, 2, 3-номера триплетов
Исключение из праbeZ неперекрыZ_fhklb обнаружено лишь в геномах некоторых
bjmkh\. Это обусловлено малыми размерами их ДНК и в связи с этим экономным
использоZgb_f ее, так как она должна кодироZlv
несколько белков, обеспечиZxsbo
жизнеспособность и размножение bjmkguo частиц. У этих bjmkh\ используются разные
рамки считыZgby для биосинтеза нескольких белков на одной и той же последоZl_evghklb
нуклеотидов ДНК.
7. Удиbl_evgh_ сhcklо кода это его универсальность
. Кодоu_ слоZ одинакоu у
чело_dZ, жиhlguo, растений, многих бактерий. Это служит еще одним доказательстhf в
пользу того, что k_ жиu_ организмы произошли от единого предка, имеr_]h
генетический код, сохраниrcky на протяжении k_c биологической эhexpbb. Благодаря
уни_jkZevghklb кода hafh`gZ генная инженерия.
Сh_h[jZagu_ "диалекты" генетического кода найдены у митохондрий, хлоропластов,
мельчайших бактерий,
реснитчатых простейших. У них найдены минорные отклонения в
генетическом коде. Например, в ДНК митохондрий чело_dZ имеется 4 измененных кодона, а
у дрожжеuo клеток к этим четырем добаey_lky еще один. Это позhey_l предполагать, что
эhexpbhgbjhали не только жиu_ организмы в целом, но и их генетический код.

4. АктиZpby аминокислот для белкоh]h синтеза

Генетическая информация, закодироZggZy в ДНК с помощью 4-х нуклеотидов
(четырехбук_ggh]h алфаblZ), в процессе биосинтеза белка переh^blky в
последоZl_evghklv аминокислот белков (дZ^pZlb[md\_gguc алфаbl) с помощью молекул-
адапторов
(«переh^qbdh\») тРНК. Каждая из 20 аминокислот, oh^ysbo в состав белков,

17 должна присоединится к сh_c тРНК. Эти реакции протекают в цитозоле и катализируются
дZ^pZlvx ферментами АРСазами (аминоацил-тРНК-синтетазами). Каждый фермент имеет
дhcgh_ сродстh: к «сh_c» аминокислоте и к соот_lklующей ей тРНК (одной или
нескольким). Для актиZpbb используется энергия АТФ.
Процесс состоит из дmo стадий, протекающих в актиghf центре фермента. На
перhc
стадии в результате aZbfh^_ckl\by аминокислоты и АТФ образуется аминоациладенилат,
на lhjhc – аминоацильный остаток переносится на соот_lklующую тРНК.
Ход реакций:
1. Аминокислота (R) +АТФ + фермент (E
R) ' E R (аминоацил-
аденилат)+ФФН
2. E
R (аминоациладенилат) + тРНК R ' Аминоацил-тРНК + АМФ + E R
Суммарное ураg_gb_:
Аминокислота (R) + тРНК R + АТФ аминоацил-тРНК R + АМФ + ФФ Н
Эфирная связь между аминоацилом и тРНК яey_lky ukhdhwg_j]_lbq_kdhc, энергия
используется в синтезе пептидной сyab.
Так образуются в цитоплазме клетки k_ необходимые для биосинтеза белка
актиbjhанные аминокислоты, соединенные с соот_lklующими им адапторами −
разнообразные аминоацил-тРНК (аа-тРНК ). Они используются в белкоhf синтезе на
стадиях инициации и элонгации.

5. Транскрипция

Записанная
с помощью генетического кода наследст_ggZy информация хранится в
молекулах ДНК. Она размножается, переписыZ_lky в молекулы РНК для того, чтобы
обеспечить клетки необходимыми для их жизни и разblby белками. Транскрипцией

назыZ_lky синтез РНК-копий по матрице участка ДНК по_принципу
комплементарности.Транскрипцию проh^bl фермент ДНК-заbkbfZy РНК-полимераза
.
Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле
ДНК − промотора
. После присоединения к нему РНК-полимеразы прилежащий blhd
спирали ДНК раскручиZ_lky, д_ цепи ДНК расходятся в результате разрыZ h^hjh^guo
сya_c между комплементарными осноZgbyfb цепей на расстоянии примерно 18
нуклеотидных пар ДНК. Так образуется транскрипционная bedZ
, в которой матрица
доступна для фермента. По одноцепочечной матрице РНК-полимераза синтезирует цепь РНК
из сh[h^guo рибонуклеотидов
, причем против аденина в ДНК klZ_l комплементарный ему
урацил
. По мере продb`_gby РНК-полимеразы пройденные ею участки ДНК ghь
АРСаза R

18 объединяются в дhcgmx спираль. Матрицей для транскрипции служит одна из цепей ДНК,
ее назыZxl кодогенной
. Транскрипция продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не
klj_lbl специальную нуклеотидную последовательность − терминатор
(стоп-кодон). В этом
участке фермент отделяется и от матрицы, и от ноhh[jZahанной молекулы мРНК.
СинтезироZggZy молекула РНК содержит точную копию информации, записанную в
соот_lklующем участке ДНК (рис. 8).


Рис. 8. Схема механизма транскрипции. В присутстbb РНК-полимеразы дhcgZy
спираль ДНК раскручиZ_lky в результате разрыZ h^hjh^guo сya_c между
комплементарными осноZgbyfb, при использоZgbb сh[h^guo рибонуклеозидтрифосфатов
строится полинуклеотидная цепь мРНК. Она комплементарна транскрибируемой цепи ДНК,
которая служит матрицей.

Участок молекулы ДНК, dexqZxsbc промотор, транскрибируемую
последоZl_evghklv и терминатор, образуют единицу транскрипции - транскриптон
.
У прокариот к образующейся цепи мРНК сразу же присоединяются рибосомы, начиная
белкоuc синтез (рис. 9).
В эукариотических клетках мРНК сначала "дозреZ_l" в ядре, а затем соединяется со
специальными белками, которые обеспечивают ее прохождение через поры ядерной
оболочки в цитоплазму.

19


Рис. 9. Процесс транскрипции и образоZgb_ полисомы у бактерий. А – Электронная
микрофотография участка хромосомы, на которой можно b^_lv последоZl_evgu_ стадии
образоZgby мРНК и присоединения рибосом. Б – Схематическое изображение структуры
jh^_ показанной на фотографии.

В клетках прокариот присутствует только одна РНК-полимераза, которая синтезирует
k_ b^u РНК. Она предстаey_l собой крупный (м
.м. 500 кДа) и сложный фермент,
состоящий из нескольких субъединиц: двух α-цепей, одной β-, одной β’-, одной σ-цепи.
Структура холофермента этой полимеразы обозначается как α
2ββ’σ. Перuc этап
транскрипции − инициация
− это присоединение холофермента к промотору. После того, как
РНК-полимераза займет праbevgh_ положение и образует несколько фосфодиэфирных
сya_c, субъединица σ отделяется от холофермента, а остаrbcky "кор-фермент" продолжает
удлинять молекулу РНК (элонгация
). По достижении терминатора РНК-полимеразой
транскрипция прекращается (терминация
). Осh[h`^_gb_ полимеразы от матрицы и от РНК
происходит с участием ρ-белка (фактора терминации).
В клетке присутствует несколько σ -частиц, обладающих неодинакоuf сродстhf к
промоторам разных генов. В смене σ -субчастиц РНК-полимеразы заключается один из
механизмов регуляции синтеза разных белков.
Типичный промотор прокариот имеет три осноguo компонента: точку старта
транскрипции, ur_ нее, примерно на 10 нуклеотидов располагается домен ПрибноZ
ТАТААТ , и в положении -35 lhjZy консерZlbная последоZl_evghklv ТГАЦ (рис. 10 а,б).

20

Рис. 10. Элементы организации транскрипции у прокариот (а, б) и эукариот (в): а –
единица транскрипции, содержащая различные элементы гена; б – схема наиболее типичного
промотора прокариот, имеющего три осноguo компонента: консерZlbные
последоZl_evghklb нуклеотидов в положениях -10 и -35, то есть на 10 и 35 нуклеотидов
ur_ точки старта транскрипции, и точку старта транскрипции; в – схема расположения
некоторых функциональных участков в молекуле мРНК эукариот. КЭП – структура,
присоединенная с 5’ - конца мРНК после транскрипции гена; 5’- и 3’-НТО –
нетранслируемые области соот_lklенно на 5’- и 3’-концах мРНК; поли(А) –
полиаденилироZgguc 3’-конец мРНК.

В ядре эукариотических клеток содержится три РНК-полимеразы. РНК-полимераза I
находится в ядрышке и от_qZ_l за биосинтез глаguf образом рибосомной
РНК, РНК-
полимераза II осущестey_l синтез разнообразных мРНК, а РНК-полимераза III синтезирует
тРНК и 5S-рРНК.
Промотор РНК полимеразы II эукариот имеет большую протяженность и более
сложное строение . ТАТА-бокс (первый промоторный элемент) отделен от стартоhc точки
транскрипции приблизительно на 25 пар нуклеотидов, а lhjZy промоторная
последоZl_evghklv – СААТ-бокс – примерно на 40 (иногда до 120) пар от него. В промоторе
содержатся и другие регуляторные участки, с которыми aZbfh^_ckl\mxl разнообразные
регуляторные факторы.
РНК-полимераза II у эукариот не может самостоятельно инициироZlv транскрипцию.
Для
ее актиbjhания необходимо большое число белков, назыZ_fuo общими факторами
транскрипции . Прежде чем начнется транскрипция, они должны объединиться в комплекс.

21 Сборка начинается на ТАТА - домене промотора. В присутстbb источника энергии – АТФ
один из белков фосфорилирует РНК-полимеразу П, в результате чего ее молекула изменяет
конформацию и станоblky готоhc к транскрипции. В регуляции актиghklb РНК-
полимеразы П принимают участие как факторы транскрипции, так и многочисленные
регуляторные белки (рис. 11).


Рис. 11. Схема организации контролирующего района типичного гена эукариот,
состоящего из регуляторных последоZl_evghkl_c и промотора.

МРНК эукариот также имеют более сложное строение, чем у прокариот. Помимо
транслируемых
(то есть•кодирующих белки) областей :в мРНК имеются достаточно
протяженные нетранслируемые области
(НТО), которые находятся на обоих концах
молекулы мРНК (рис 10, в). Они определяют j_fy жизни и актиghklv мРНК, их
gmljbde_lhqgh_ распределение, условия, при которых будет синтезироZg белок. В мРНК
(чаще в 5'-НТО) имеются и регуляторные элементы, с которыми сyauаются специальные
регуляторные белки или РНК.
Сhx сложную специфическую структуру мРНК приобретают уже
после транскрипции
в результате процессинга
.

6. Процессинг мРНК в эукариотических клетках

Эукариотические гены имеют большую протяженность и сложное строение. Они
dexqZxl в себя кроме кодирующих последоZl_evghkl_c
− экзонов , многочисленные
klZочные участки
− интроны . Поэтому продукты транскрипции − предшест_ggbdb мРНК
имеют ukhdmx молекулярную массу и под_j]Zxlky процессингу
(коZe_glghc
модификации), прежде чем из них образуются зрелые мРНК. Процессинг dexqZ_l в себя
модификацию 5’- и 3’-концов и сплайсинг
(рис.12).

22

Рис. 12. Процесс передачи информации от ДНК до белка, кодируемого расщепленным
геном

КэпироZgb_ 5'-конца
происходит, когда длина первичного транскрипта достигает
примерно 30 н. К 5'-концу присоединяется ГДФ через сhx фосфатную группу, а затем
гуанин метилируется с образоZgb_f 7-метилгуанозина и образуется кэп
.
Кэп обеспечиZ_l: 1. инициацию трансляции, так как только в его присутстbb
рибосома распознает инициирующие кодоны мРНК − АУГ, ГУГ; 2.защиту мРНК от нуклеаз
клетки, удлиняя тем самым j_fy ее жизни; 3. работу ферментатиghc системы, проh^ys_c
сплайсинг.
У большинстZ транскриптов 3’-конец тоже под_j]Z_lky модификации, при которой
специальным ферментом наращиZ_lky поли-(А)-«хhkl» , состоящий из 100 - 200 остатков
аденилоhc кислоты. Поли-(А)- последоZl_evghklv облегчает uoh^ мРНК из ядра и
замедляет ее гидролиз в цитоплазме.
Важнейшее событие процессинга − сплайсинг
− это соединение конец в конец экзонов и
удаление интронов с образоZgb_f зрелых мРНК. Он протекает при участии малых ядерных
РНП (мяРНП). Малые ядерные РНК (мяРНК) сyauаются с белкоuf остоhf, состоящим
из нескольких протомеров, образуют мяРНП. Последние aZbfh^_cklуют с РНК и друг с
другом, фиксируют и ориентируют реакционные группы перbqgh]h транскрипта, образуя
сплайсосому
. Ее каталитическая актиghklv обуслоe_gZ РНК-состаeyxsbfb (такие РНК
назыZxlky рибозимами
). На концах интронов имеются специфические последоZl_evghklb
нуклеотидов – сайты сплайсинга, которые обеспечивают точное удаление интронов из
молекулы пре-мРНК (на 5’ − АГГУ, на З' − ГАГГ ). На первой стадии одни мяРНП
сyauаются с сайтами сплайсинга, затем к ним присоединяются другие мяРНП –
формируется сплайсосома. При этом концы экзонов сближаются и соединяются, а
интроны
удаляются (рис. 13). Так образуются «зрелые» мРНК, которые служат после uoh^Z в
цитоплазму матрицами для синтеза белков в процессе трансляции.

23

Рис.13. Сплайсинг РНК. В процессе сплайсинга принимают участие различные мяРНП,
которые формируют сплайсосому. мяРНП, aZbfh^_cklуя с РНК и друг с другом,
фиксируют и ориентируют реакционные группы перbqgh]h транскрипта. Каталитическая
функция сплайсосом обуслоe_gZ РНК-состаeyxsbfb; такие РНК назыZxl рибозимами.

Для некоторых генов описаны альтернатиgu_ пути сплайсинга одного и того же
транскрипта
, которые приh^yl к образоZgbx разных мРНК и соот_lklенно разных
белков.
7. Трансляция

Трансляцией
назыZxl процесс, с помощью которого последоZl_evghklv осноZgbc в
молекулах мРНК переh^blky в последоZl_evghklv аминокислот в полипептидах. Она
происходит на рибосомах, которые обеспечиZxl расшифроdm заключенной в мРНК
информации с помощью тРНК. В ходе трансляции u^_eyxl три фазы: инициацию,
элонгацию и терминацию.
Инициация
, или начало синтеза полипептидной цепи, заключается в сборке
белоксинтезирующей системы из отдельных макромолекул и установке рамки считыZgby
.
Начало считыZgby мРНК находится несколько отступя от начала цени мРНК, и
рибосома должна сесть непосредст_ggh на участок, содержащий инициирующий кодон
АУГ. Малая субчастица рибосомы должна соединиться с мРНК таким образом, чтобы
стартоuc кодон АУГ располагался в области субчастицы, соот_lklующей П-центру.
Соединиться со стартоuf кодоном и занять место в недостроенном
П-центре может только
инициирующая тРНК
, несущая аминокислоту метионин. После этого присоединяется
большая субчастица рибосомы, и формируются П- и А-центры. К концу фазы инициации
полная рибосома сyaZgZ с мРНК, в П-центре стоит метионил-тРНК, в А-участке стоит

24 lhjhc кодон мРНК, остальная часть его сh[h^gZ.
Прокариоты и эукариоты используют дZ разные пути к инициирующему кодону.
У прокариот происходит gmlj_ggyy инициация
, когда малая рибосомная субчастица
сyauается непосредст_ggh с инициирующим кодоном мРНК, незаbkbfh от его
удаленности от начала кодирующей последоZl_evghklb. Если цепь мРНК содержит
несколько кодирующих областей для различных белков (полигенная мРНК), то этот способ
обеспечит инициацию трансляции сразу нескольких белков незаbkbfh друг от друга.
Эукариоты могут использоZlv путь gmlj_gg_c трансляции в
некоторых специальных
случаях: например, когда мРНК кодирует несколько регуляторных белков, необходимых для
эмбрионального разblby.
У эукариот малая рибосомная субчастица, как праbeh, сначала присоединяется на 5'-
конец мРНК, а затем дb`_lky ^hev цепи и сканирует (просматриZ_l) ее, пока не klj_lbl
инициирующий кодон. Этот способ получил назZgb_ терминальной инициации
. Для
осущестe_gby этого пути эукариотическая клетка обладает набором специальных белков −
факторов инициации
, которые служат для определения рибосомной частицей 5'-конца мРНК
и ее дальнейшего дb`_gby (рис.14).


Рис. 14. Схематическое предстаe_gb_ двух способов uoh^Z рибосомной частицы (малой
рибосомной субчастицы) на стартоmx позицию трансляции мРНК: способ терминальной
инициации, сhcklенной эукариотам (ерху), и способ gmlj_gg_c инициации,
используемый в осноghf прокариотами (gbam)

У прокариот инициация протекает при участии трех специфических белков – факторов
инициации , которые подb`gh сyauаются с малой субчастицей рибосомы, а по окончании
фазы отделяются от нее, уходят в цитоплазму. Источником энергии служит молекула ГТФ.

25 Перhc (инициаторной) служит формилметионил-тРНК
Мет . У эукариот первой яey_lky
метионил-тРНК
Мет , а факторов инициации значительно больше – около 12-ти.
ПоследоZl_evghklv событий в процессе инициации трансляции у эукариот примерно та же,
что и у прокариот (рис.15).

Рис. 15. ОбразоZgb_ инициирующего комплекса в ходе синтеза белка у эукариот. Мет-
тРНК
iМет объединяется с малой субъединицей рибосомы в форме тройного комплекса:
тРНК Мет , elF-2 и ГТФ. ОбразоZ\rbcky более сложный четырехкомпонентный комплекс
присоединяется к 5’-концу мРНК с помощью нескольких дополнительных факторов, и малая
субъединица начинает скользить по мРНК до тех пор, пока антикодон тРНК
Мет не сy`_lky с
инициирующим кодоном AUG. При этом в комплексе происходит изменение состаZ
инициирующих факторов, и ускоряется присоединение 60S субъединицы рибосомы,
сопроh`^Zxs__ky гидролизом ГТФ. тРНК
iМет занимает на рибосоме Р-центр.

Белкоu_ факторы инициации трансляции у эукариот обозначаются как eIF (от англ.
Eukaryotic initiation factors) с указанием номера. После сборки инициирующего комплекса
k_ они осh[h`^Zxlky в цитоплазму. В «собранной» рибосоме Р-центр занимает метионил-
тРНК, а в А-центре помещается триплет мРНК, кодирующий первую аминокислоту белка.
Далее начинается самый
продолжительный этап белкоh]h синтеза – элонгация . В ходе
элонгации рибосома с помощью транспортных РНК «читает» кодоны мРНК, наращиZy
полипептидную цепочку за счет последоZl_evgh]h присоединения аминокислот. Элонгация
начинается от момента образоZgby перu_ пептидной сyab и заканчиZ_lky после
dexq_gby в полипептидную цепь последней аминокислоты.
Функция рибосомы заключается в том, чтобы удержиZlv в нужном положении мРНК,
тРНК, аминокислотные остатки
и белкоu_ факторы элонгации до тех пор, пока между
соседними аминокислотами не образуется пептидная сyav. Элонгация − это поlhjyxsbcky

26 процесс. Присоединение каждого аминокислотного остатка к растущей полипептидной цепи
происходит в 3 стадии:
1. сyauание с А-центром рибосомы аа-тРНК, соот_lklующей очередному кодону;
2. образоZgb_ ноhc пептидной сyab за счет присоединения пептида, находящегося в
Р-центре, к аминогруппе аа-тРНК, находящейся в А-центре;
3. перемещение пептидил- тРНК из А-центра
в Р-центр в результате передb`_gby
рибосомы по мРНК на один кодон.
Так, по окончании инициации в Р-центре стоит метионил-тРНК, а в А-центре
очередной кодон. К нему присоединяется аминоацил-тРНК, антикодон которой
комплементарен кодону и aZbfh^_ckl\m_l с ним. Благодаря особенностям трехмерной
организации тРНК lhjZy аминокислота klZ_l в А
-центр, но [ebab от ранее dexq_gghc
аминокислоты метионина, находящейся в Р-центре. Сразу после этого протекает реакция
образоZgby пептидной сyab (реакция транспептидации), которую катализирует 28S рРНК,
oh^yrZy в состав большой субъединицы рибосомы. Таким образом, 28S рРНК яey_lky
рибозимом.
Метионин теряет сyav со сh_c тРНК. В Р-центре остается "пустая", не нагруженная
тРНК,
которая уходит в цитоплазму. Рибосома перемещается ^hev цепи мРНК на один
кодон. Нагруженная полипептидной цепочкой пептидил-тРНК переходит из А-центра в Р-
центр. В А-центре устанаebается следующий кодон.
Цикл поlhjy_lky столько раз, сколько аминокислотных остатков содержится в
полипептидной цепи. В процессе участвуют белкоu_ факторы элонгации:EF1 необходим
для сyauания аа
-тРНК в А-центре, а ЕF2 - для перемещения рибосомы по мРНК к 3’-концу
за счет энергии гидролиза ГТФ. На присоединение каждой аминокислоты затрачиZ_lky
энергия двух молекул ГТФ, которые гидролизуются до ГДФ и Ф
н. Растущая полипептидная
цепь k_ j_fy остается сyaZgghc с тРНК, соот_lklующей последней dexq_gghc
аминокислоте (рис. 16).
Для терминации
(окончания) синтеза полипептидной цепи необходим специальный
сигнал в мРНК - терминирушжй кодон (УАГ, УАА или УГА ). С кодоном терминации,
стоящим в А-центре, aZbfh^_cklуют особые белки − факторы терминации – рилизинг-
факторы (от англ. release – ukобождать). С кодоном терминации сyauается RF1 (или
RF2), а RF3 aZbfh^_ckl\m_l с пептидилтрансферазным центром. В результате этого
последний катализирует реакцию aZbfh^_cklия пептидил-тРНК с молекулой h^u. Сyav
полипептида с конечной тРНК гидролизуется, полипептид осh[h`^Z_lky в b^_ готоh]h
белка. тРНК uoh^bl из Р-центра, а рибосома диссоциирует на субчастицы, готоu_ к
синтезу
новой полипептидной цепи (рис.17).

27

Рис. 16 Фаза элонгации в синтезе белка: 1-й
этап аминоацил-тРНК присоединяется к кодону,
расположенному в А-центре; 2-й этап – между
аминокислотами, расположенными в А - и П -
центрах, образуется пептидная сyav; тРНК,
расположенная в П-центре, осh[h`^Z_lky от
сh_c аминокислоты и покидает рибосому; 3-й
этап – рибосома перемещается по мРНК на
один
кодон так, что тРНК, нагруженная
пептидной цепочкой, переходит из А-центра в
П-центрах; сh[h^guc А-центр может быть
занят соот_lklующей аминоацил-тРНК. Рис. 17. Терминация синтеза
пептидной цепи: 1-й этап – присоединение
фактора осh[h`^_gby к стоп-кодону; 2-й
этап − терминация, ukобождение
за_jr_ggh]h пептида; 3-й этап –
диссоциация рибосомы на д_ субчастицы.

28 В случае полигенной мРНК малая субчастица может задержиZlvky на мРНК,
скользить по ней и инициироZlv трансляцию следующей полипептиднои цепи.
Несмотря на большую сложность, биосинтез белкоuo: молекул протекает с
чрезuqZcgh ukhdhc скоростью: так, полипептидная цепь из 100 аминокислотных остатков
синтезируется за 5 с. Скорость биосинтеза может увеличиZlvky в несколько раз за счет того
,
что на одной мРНК могут _klb синтез одноj_f_ggh несколько рибосом. Группы рибосом,
соединенных друг с другом одной молекулой мРНК, назыZxl полирибосомами
или
полисомами
.
Таким образом, матричная природа процесса трансляции прояey_lky в том, что
dexq_gb_ аминокислот в полипептидную цепь однозначно определяется порядком
расположения кодонов ^hev цепи мРНК. Субъединиы рибосом uihegyxl в процессе
трансляции разные функции: малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует
информацию с помощью тРНК, а большая от_qZ_l за катализ образоZgby пептидных
сya_c.

8.
Приобретение белкоhc молекулой биологических функций

Белок остается биологически неактиguf до тех пор, пока он не с_jg_lky с
образоZgb_f присущей ему третичной структуры (натиghc конформации
), которая
определяется аминокислотной последоZl_evghklvx. В какой-то момент, h j_fy синтеза
полипептидной цепи или после его за_jr_gby, белок самопроизhevgh принимает сhx
специфическую трехмерную структуру. Однако часто построенная на рибосоме
полипептидная цепь не может принять окончательную биологически актиgmx
конформацию, пока не под_j]g_lky процессингу
, или коZe_glghc модификации .
У различных белков процессинг протекает по-разному. При этом может происходить
отщепление ферментами "лишних" аминокислотных остатков (например, инициирующих),
едение в определенные аминокислотные остатки фосфатных, метильных, карбоксильных,
олигосахаридных или простетических групп.
Например, гормоны поджелудочной железы инсулин и глюкагон синтезируются в b^_
неактиguo предшест_ggbdh\. Сначала из них удаляются сигнальные пептиды, в результате
чего образуются прогормоны. Затем уже в секреторных гранулах прогормоны преjZsZxlky
в актиgu_ гормоны.
Ноhh[jZahанные белки напраeyxlky в ту часть клетки, где они uihegyxl сhb
функции: некоторые поступают просто в клеточный цитозолъ, другие − к различным
клеточным органеллам, третьи секретируются из клетки, наконец, некоторые kljZbаются в

29 ту или иную клеточную мембрану, где работают в качест_ ферментов или переносчиков.
Роль сигналов, напраeyxsbo белки к месту их функционироZgby, uihegyxl лидерные
последоZl_evghklb, расположенные в начале полипептидной цепи. Они образуются в
процессе биосинтеза белка на рибосоме перufb и узнаются особыми участками g_rg_c
по_joghklb мембран нередко даже раньше, чем рибосома за_jrbl
синтез белка.
Рибосомы, сyaZggu_ с шерохоZlhc эндоплазматической сетью, участвуют в
биосинтезе белков, которые либо j_f_ggh остаются в клетке, либо сразу же uодятся из
нее. Белки проталкиZxlky gmljv цистерн, откуда в конечном итоге uодятся h
g_de_lhqgh_ пространстh.

9. Регуляция биосинтеза белка

В каждой клетке и жиhf организме в целом синтезируются специфические
белки и с
неодинакоhc скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды
образуется лишь необходимое число молекул данного белка.
Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую
генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки
эритроцитов содержат большое количестh гемоглобина, кожи − коллагена, скелетных мышц
− актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочеbgu, которые
отсутствуют у k_o других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется
только часть структурных генов.
ИсследоZgby показали, что большая часть генома находится в неактиghf,
репрессироZgghf
, состоянии. Спектр функционирующих генов заbkbl от типа клетки,
периода ее жизненного цикла, стадии индиb^mZevgh]h разblby организма. У большинстZ
организмов актиgh транскрибируются только 2 - 10 % генов.
Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным
ha^_cklиям, назыZxlky конститутиgufb
. Обычно это гены, обеспечивающие синтез
белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК.
Включение и udexq_gb_ других генов заbkbl от различных метаболитов, эти гены
назыZxlky регулируемыми
.
Наиболее эффектиgZ регуляция на уроg_ инициации транскрипции. В ДНК имеется
несколько областей, которые участвуют в регуляции дейстby генов. Промотор
- участок
ДНК, с которым может сyauаться РНК-полимераза, инициируя тем самым транскрипцию.
Оператор
- область ДНК, которая aZbfh^_cklует с белком-репрессором, благодаря чему
регулируется экспрессия гена или группы генов. Регуляция осущестey_lky или путем

30 стимуляции, или путем запрещения соединения РНК-полимеразы с промотором гена с
помощью белков-регуляторов. За синтез этих белков от_qZxl гены-ретуляторы
. Ген-
регулятор может находиться на некотором расстоянии от тех генов, на которые он оказыZ_l
ebygb_. Белок-регулятор, dexqZxsbc транскрипцию данного гена, назыZ_lky
актиZlhjhf
, а udexqZxsbc - репрессором . В регуляции транскрипции могут принимать
участие _s_klа небелкоhc природы – эффекторы
. Взаимодействуя с белками-
регуляторами, они изменяют их способность соединяться с нуклеотидными
последоZl_evghklyfb. Если в результате такого aZbfh^_cklия транскрипция запускается,
то _s_klо назыZxl индуктором
, а если прекращается, то корепрессором , поскольку оно
переh^bl неактиguc репрессор в актиgmx форму.
Если белок-регулятор aZbfh^_cklует с оператором, занимающим часть промотора
или расположенным между ним и структурной частью гена, то это не дает hafh`ghklb
РНК-полимеразе II соединиться с промотором и осущестblv транскрипцию (репрессия
синтеза ). В этом случае осущестey_lky негатиguc контроль экспрессии гена со стороны
гена-регулятора, белок-регулятор назыZ_lky репрессором.
Если промотор обладает слабой способностью соединяться с РНК-полимеразой, а ему
предшествует область, узнаZ_fZy белком-регулятором, то присоединение последнего
непосредст_ggh перед промотором к молекуле ДНК облегчает сyauание РНК-полимеразы
с промотором, ke_^ за чем
следует транскрипция. Такие белки назыZxlky актиZlhjZfb, а
контроль экспрессии гена - позитиguf.

9.1. Регуляция генной актиghklb у бактерий.

Вперu_ изучение регуляции генной актиghklb было про_^_gh на бактериях
французскими микробиологами Ф.Жакобом и Ж.Моно (1961), результатом чего было
создание модели оперона
. Оперон - это последоZl_evghklv структурных генов,
определяющих синтез группы белков, участвующих в одной метаболической цепи, имеющих
общий промотор и оператор. Транскрипция мРНК со k_o структурных генов оперона, в
b^_ одного транскрипта, на котором в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды,
яey_lky особенностью бактерий.
В опытах Жакоба и Моно была использоZgZ кишечная палочка (Е.со
li). Она быстро
растет на культуральной среде, содержащей в качест_ источника углерода глюкозу. После
переноса клеток на среду, содержащую f_klh глюкозы лактозу, рост сначала замедляется, а
затем hah[ghляется с ukhdhc скоростью. При этом бактерии синтезируют три
необходимых для усh_gby лактозы белка: ферменты β-галактозидазу, гидролизующую
лактозу до глюкозы и. галактозы, и
лактозопермеазу, способствующую быстрому

31 поглощению клеткой лактозы из среды, а также белок А (тиогалактозидазу).Все они
закодироZgu в одном лактозном опероне.
Было показано, что при отсутстbb в среде сахара лактозы ген-регулятор синтезирует
актиguc белок-репрессор, который сyauается с оператором, препятстmy соединению
РНК-полимеразы с промотором, и препятствует процессу транскрипции. Синтез ферментов
не идет
из-за отсутстby, матрицы.
При добаe_gbb в среду лактозы (индуктора) она соединяется с другим специфическим
участком репрессора (центром сyauания индуктора), инактиbjm_l его, что приh^bl к
снижению сродстZ репрессора к операторному участку ДНК и осh[h`^_gbx последнего.
Как только индуктор-репрессорный комплекс покидает ДНК, РНК-полимераза начинает
транскрипцию, что приh^bl к синтезу
β-галактозидазы и других белков, участвующих в
усh_gbb лактозы. Так происходит индукция синтеза ферментов
, оперон назыZxl
индуцибельным
(рис. 18).

Рис 18. Схематическое изображение lac-оперона. Три структурных lac-гена z, y и a
расположены рядом. Перед ними находятся дZ регуляторных участка – р (промотор) и о
(оператор).

Уменьшение содержания лактозы приh^bl к hkklZghлению способности репрессора
соединяться с оператором, прекращению транскрипции генов и синтеза ферментов.
Некоторые опероны, от_qZxsb_ за использоZgb_ углеводов (
катаболизм), содержат
кроме оператора еще один регуляторный участок, состаeyxsbc часть промотора и
предназначенный для сyauания особого регуляторного белка. Например, в лактозном
опероне имеется участок, препятстmxsbc использоZgbx лактозы в том случае, если в

32 питательной среде присутствует глюкоза. Подаe_gb_ глюкозой синтеза белков лактозного
оперона - это один из примеров катаболитной репрессии
.
Промотор лактозного оперона состоит из дmo участков: к оператору примыкает "oh^
для РНК-полимеразы", в котором происходит перhgZqZevgh_ сyauание этого фермента;
lhjZy часть промотора предстаey_l собой участок сyauания 6елка, актиbjmxs_]h
катаболитный ген (БАК или САР), сyaZggh]h с цАМФ (циклическим АМФ). РНК-
полимераза может hclb в участок сyauания лишь при условии,
если САР-участок занят.
Это происходит в том случае, если в среде глюкозы нет, в среде нарастает количестh цАМФ

(«сигнал голода») и образуется комплекс между цАМФ и САР-белком. Комплекс
соединяется со lhjuf участком промотора и дает hafh`ghklv РНК-полимеразе попасть в
участок перhgZqZevgh]h сyauания. Если в среде присутствует лактоза, то оператор
открыт, и начинается транскрипция лактозного оперона.
Если же в среде присутствует глюкоза, то концентрация цАМФ в клетке
резко
понижается, и не образуется комплекса цАМФ с САР-белком. Тогда САР-участок сh[h^_g,
и РНК-полимераза не может сyaZlvky с промотором и начать транскрипцию, синтез белков
лактозного оперона udexq_g (рис.19).

Рис. 19. А. Регуляторные участки lac-оперона. САР-участок промотора способен
сyauать САР лишь в том случае, если он находится в комплексе с сАМР. РНК-полимераза
может попасть в участок перhgZqZevgh]h сyauания только при условии, если САР-
участок занят. Б. Три структурных гена z, y и a lac-оперона транскрибируются при условии,
что
в среде нет глюкозы, а присутствует лактоза. В этом случае оператор сh[h^_g от
репрессора и комплекс САР-сАМР соединяется с промотором, позheyy РНК-полимеразе
попасть в участок перhgZqZevgh]h сyauания, «спуститься» к инициирующему кодону и
начать транскрибироZlv три структурных гена. В. Если глюкозы в среде много, то сАМР не
образуется и САР
поэтому не в состоянии сyaZlvky с промотором. В этих услоbyo РНК-
полимераза не может получить доступ к промотору и lac-гены не транскрибируются.

33 Таким образом, лактозный оперон находится как под негатиguf (0-участок), так и под
позитиguf (р-участок) контролем.
Наряду с индуцибелъными, у бактерий изучены также репрессируемые ферменты,
биосинтез которых подаey_lky продуктом катализируемой ими реакции. Дейстb_ этих
оперонов также контролируется белками-репрессорами, но они синтезируются изначально в
неактиghc форме и актиbjmxlky в результате
присоединения к ним конечного продукта
цепи реакций, который играет роль корепрессора
. Актиguc репрессор сyauается с
оператором, что приh^bl к прекращению транскрипции и синтеза белка и соот_lklенно к
торможению k_c цепи реакций. Примером могут служить опероны, кодирующие структуру
ферментов, катализирущих реакции синтеза аминокислот, азотистых осноZgbc и т.п.
У бактерий существуют также механизмы, позheyxsb_ регулироZlv скорость
синтеза белка, например, ее замедлять. Таким
образом, они обладают тончайшими
механизмами регуляции синтеза ферментов, что позhey_l им приспосаблиZlv сhc
метаболизм к изменяющимся условиям среды в соот_lklии с принципом максимальной
экономии.

9.2. Особенности регуляции белкоh]h синтеза в эукариотических клетках.

Геномы эукариотических клеток отличаются огромными размерами и большой
сложностью, поэтому механизмы регуляции биосинтеза белков у них разнообразны.
Регуляция осущестey_lky на разных уровнях. Так; стойкую репрессию генов uauает
компактная упаковка хроматина, dexqZy aZbfh^_cklие с гистонами, образоZgb_
нуклеосом и элементарных фибрилл. В гетерохроматине для транскрипции доступно менее
1% генов, в эухроматине, имеющем более
рыхлую укладку − значительно большее. В разных
типах клеток в области эухроматина попадают неодинакоu_ гены, что обеспечиZ_l
стабильную репрессию одних генов и дерепрессию других на протяжении k_c жизни
клетки.
Изменение количестZ генных продуктов - белков в клетках позhghqguo жиhlguo
может происходить ke_^klие амплификации
(то есть увеличения числа генов). Например, у
чело_dZ 20% генома состоит из генов, кодирующих различные b^u РНК. Количестh генов
может увеличиZlvky в от_l на ha^_cklие j_^guo экологических факторов. Например,
поur_gb_ концентрации тяжелых металлов в кроb приh^bl к увеличению числа генов
белка металлотионеина, обладающего сhcklом сyauать тяжелые металлы и защищать
таким образом
клетки от их ha^_cklия
Изменение спектра синтезируемых клеткой белков происходит в результате
перестройки генов - генетической рекомбинации
, которая dexqZ_l в себя перемещение

34 генов между хромосомами или gmljb хромосом, а также объединение генов с образоZgb_f
измененных хромосом, которые способны к репликации и транскрипции. Подобные
разнообразные изменения в структуре геномов прояeyxlky у В-лимфоцитов, кодирующих
разнообразные иммуноглобулины (антитела).
Но большинстh генов эукариот под_j]Zxlky, подобно прокариотическим генам,
адаптиghc регуляции - то есть индукции и репрессии
, которые осущестeyxlky на уроg_
транскрипции. Вследстb_ огромной протяженности и сложности эукариотической ДНК
специфические регуляторные участки ДНК и aZbfh^_cklующие с ними белки-регуляторы
_kvfZ многочисленны. Выявлено более 100 различных белков, способных
aZbfh^_cklоZlv с регуляторными последоZl_evghklyfb ДНК и тем самым ebylv на
сборку транскрипционного комплекса и скорость транскрипции. Эти белки содержат ДНК-
сyauающие домены , от_qZшие за узнаZgb_ специфических участков в молекуле ДНК, а
также домены, актиbjmxsb_ транскрипцию. Последние сyauаются с транскрипционными
факторами, либо с РНК-полимеразой. Регуляторные белки могут иметь в сh_f соста_
антирепрессорные домены, которые aZbfh^_ckl\mxl с гистонами нуклеосом, осh[h`^Zy от
них участки ДНК. Эти белки могут содержать в себе также домены, сyauающие
лиганды -
индукторы транскрипции (стероидные гормоны, гормоны щитоb^ghc железы, произh^gu_
blZfbgh\). После связыZgby лиганда конформация белка изменяется, и он образует
участок, узнающий в регуляторной зоне ДНК специфическую последоZl_evghklv и
индуцирующий транскрипцию определенного гена.
Важную роль в регуляции актиghklb генов играют участки ДНК, располагающиеся в
1000 и более пар осноZgbc от промотора. Энхансеры
– участки ДНК размером 10 - 20 пар
осноZgbc, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость
транскрипции ( от enhance – усиливать).
Сайленсеры
– (глушители) - участки ДНК, которые, сyauаясь с белками,
обеспечиZxl замедление транскрипции. Между промотором и энхансером ДНК образует
петлю, в результате чего сyaZggu_ с энхансером белки непосредст_ggh aZbfh^_ckl\mxl с
одним из общих факторов транскрипцииии или с молекулой самой РНК-полимеразы (рис.
21).

35

Рис. 20. АдаптиgZy регуляция транскрипции у эукариот. Промоторы эукариотических
генов находятся под контролем большого числа регуляторных участков на молекуле ДНК:
ТАТА-, СААТ-, GC-последоZl_evghkl_c, энхансеров, сайленсеров − последоZl_evghkl_c, к
которым присоединяются комплексы белков с различными лигандами (цАМФ, стероидными
гормонами, метаболитами, ионами металлов и т. д.).

К энхансерам и сайленсерам могут присоединяться комплексы
белков с различными
лигандами (ц-АМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов), dexqZy
или udexqZy транскрипцию.
Во k_o генах имеются участки, необходимые для устаноe_gby контакта РНК-
полимеразы с ДНК, прочного сyauания и начала транскрипции. Прежде, чем транскрипция
начинается, происходит формироZgb_ комплекса РНК-полимеразы − и общих факторов
транскрипции. В состав комплекса
oh^yl также белки, которые сyauаются с большой
субъединицей РНК-полимеразы, помогают ей разрушить нуклеосомы и декомпактизироZlv
молекулу ДНК. Всего в состав собранного на промоторе транскрипционного комплекса
oh^bl до 50 белков, комплекс назыZ_lky транскриптосома
.
Регуляция транскрипции осущестey_lky как на уровне сборки транскрипционного
комплекса, так и после его сборки с помощью регуляторных белков. Сyauаясь с
регуляторными последоZl_evghklyfb ДНК − энхансерами или сайленсерами, белки
непосредст_ggh aZbfh^_ckl\mxl либо с молекулой РНК-полимеразы, либо с одним каким-
либо фактором транскрипции, либо с другим белком, в результате чего dexqZxlky
или
udexqZxlky гены, изменяется скорость транскрипции (рис.21). Сущестmxl десятки
различных регуляторных белков, которые сyauаются с сайтами регуляторной зоны. Их
наборы отличаются в разных клетках и у разных генов. С их помощью каждый ген
специфически udexqZ_lky и dexqZ_lky.

36

Рис. 21. Распределение белков в типичном промоторе эукариот. АктиZlhju АR,
сyaZggu_ с энхансерными элементами в молекуле ДНК, стимулируют транскрипцию за счет
белок-белкоuo aZbfh^_cklий между актиbjmxsbfb доменами (изогнутые концы)
актиZlhjh\, РНК-полимеразой и общими факторами транскрипции. GAL11, SIN4 и RGR1 –
компненты РНК-полимеразного комплекса, их функции до конца не uykg_gu. Длинный
концеhc хhkl РНК-
полимеразы II изображен на рис. в нефосфорилироZgghf (сh[h^ghf)
состоянии; D, A, B, E, F и H –общие факторы транскрипции. SWT, SNF, SRB − белки,
которые помогают РНК-полимеразе разрушить нуклеосомы и декомпактизироZlv молекулу
ДНК.

Большую роль в регуляшш актиghklb генов играют cis-элементы. Это общие для
групп генов последоZl_evghklb ДНК, обеспечиZxsb_ координироZggmx регуляцию
транскрипции. Они располагаются примерно на расстоянии 250 п.н.
ur_ промотора
каждого гена. Один и тот же индуктор, сyauаясь с соот_lklующим регуляторным
белком, актиbjm_l сразу несколько генов, содержащих в регуляторной области один и тот
же cis-элемент. Один из белков − продуктов этих генов может оказаться индуктором другой
группы генов, и тогда следует серия от_lguo реакций на один индуктор (рис. 22).


Рис.22. Регуляция экспрессии многих генов эукариот одним белком-регулятором

37 Пример такой регуляции − гены, чуklительные к стероидным гормонам, гены белков
теплоh]h шока и др.
Регуляция на уроg_ транскрипции наиболее экономична, но она осущестey_lky
недостаточно быстро. Поэтому Z`gh_ значение имеет регуляция на других этапах
реализации генетической информации.
Важное значение в обеспечении разнообразия белков имеет альтернатиguc сплайсинг.
На многих эукариотических генах
, имеющих полиэкзонное.строение, после транскрипции и
процессинга образуются несколько ZjbZglh\ зрелой мРНК, когда зкзон одного ZjbZglZ
сплайсинга может оказаться интроном в другом. Это приh^bl к образоZgbx разных мРНК
и соот_lklенно разных белков с одного перbqgh]h транскрипта. Так, в
парафолликулярных клетках щитоb^ghc железы в ходе транскрипции гена гормона
кальцитонина образуется перbqguc
транскрипт мРНК, который имеет в сh_f соста_
шесть экзонов. мРНК кальцитонина образуется путем сплайсинга перuo четырех зкзонов.
Этот же перbqguc транскрипт в клетках голоgh]h мозга в ходе альтернатиgh]h
сплайсинга образует другую мРНК, кодирующую белок, не обладающий гормональной
актиghklvx.
На состав белков клетки оказыZ_l ebygb_ также неодинакоZy стабильность мРНК.
Время жизни эукариотических
мРНК состаey_l от нескольких часов до нескольких дней.
Стоящий на З'-конце фрагмент поли-(А) увеличиZ_l продолжительность жизни молекул
мРНК и соот_lklенно количестh белка.
Регуляция синтеза белка осущестey_lky и на уроg_ трансляции. Разные мРНК имеют
неодинакоh_ сродстh к рибосомным субчастицам, поэтому в полирибосоме содержится
много или мало рибосом. Так определяется
соотношение белков в клетке. Наконец, может
происходить подаe_gb_ инициации трансляции k_o мРНК клетки. Например, это может
происходить при дейстbb теплоh]h шока, стрессах, недостатке железа,bjmkghc инфекции
и т.п. Стрессоuc фактор индуцирует фосфорилироZgb_ lhjh]h фактора инициации, тем
самым инактиbjm_l его и, следоZl_evgh, трансляцию.

Заключение

Все многоклеточные организмы, в том числе
и чело_d, построены из клеток
разнообразных типов. Различия между ними обуслоe_gu глаguf образом тем, что они
синтезируют сhc набор белков. В то же j_fy в ядрах k_o, за небольшим исключением,
клеток содержится полный набор последоZl_evghkl_c ДНК, характерный для b^Z.
СледоZl_evgh, набор специфических белков обусловлен изменением набора

38 экспрессируемых генов. Спектр функционирующих генов заbkbl от тканеhc
принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла, от стадии индиb^mZevgh]h
разblby организма. Контроль синтеза специфических белков осущестey_lky на k_o
уроgyo экспрессии генетической информации: транскрипции, трансляции, транспорта,
процессинга, посттрансляционной модификации и других.
Все механизмы регуляции биосинтеза белка лежат в осно_ дифференцироdb клеток.

39 Литература

1. Биология. Учебник для медиц. специальн. вузов. Книга I. Под ред. В.Н.
Ярыгина. М.:ВШ. − 2003. 430 с.
2. Биохимия. Учебник для вузов. Под ред. Е.С. Се_jbgZ. М.: ГЭОТАР-МЕД. −
2003. 784 с.: (Серия «XXI _d»).
3. Грин Н., Стаут У., Тейлр Д. Биология. М.: Мир, 1990. т. 1-3.
4. Дмитриев Р
.И. и др. Тканеспецифичность продуктов альтернатиgh]h
сплайсинга мРНК мыши // Биоорганическая химия, 2005. Т. 31, №4. С. 363-371.
5. Жимулев И.Ф. Соj_f_ggu_ предстаe_gby о структуре гена у эукариот //
Сороkdbc образоZl_evguc журнал, 2000. Т. 6, №7. С. 17-24.
6. Осноu биохимии. Под ред. А.А. АнисимоZ. М.: ВШ, 1986. 550 с.
7. Спирин А.С. Мир РНК и его
эволюция // Молекулярная биология, 2005. Т. 39,
№4. С. 550-556.

40 Оглаe_gb_
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Молекулярная организация генетического материала клетки 4
2. Роль рибонуклеиновых кислот в белкоhf синтезе 9
2.1. Транспортная РНК (тРНК) 10
2.2. Рибосомная РНК (рРНК) 12
2.3. Матричная РНК (мРНК) 13
3. Генетический код и его сhcklа 14
4. АктиZpby аминокислот для белкоh]h синтеза 16
5. Транскрипция 17
6. Процессинг мРНК в эукариотических клетках 21
7. Трансляция 23
8. Приобретение белкоhc молекулой биологических
функций 28
9. Регуляция биосинтеза белка 29
9.1. Регуляция генной актиghklb у бактерий 30
9.2. Особенности регуляции белкоh]h синтеза в эукариотических клетках 33
Заключение 37
Литература 39
X