Тонкая структура гена и механизм считывания информации с гена

    Молекула  мРНК служит матрицей для синтеза  полипептида на рибосомах. Триплеты мРНК, кодирующие определенную аминокислоту,  называются кодоны. В трансляции принимают  участие молекулы тРНК. Каждая молекула тРНК содержит антикодон – распознающий триплет, в котором последовательность нуклеотидов комплементарна по отношению к определенному кодону мРНК. Каждая молекула тРНК способна переносить строго определенную аминокислоту. Соединение тРНК с аминокислотой называется аминоацил–тРНК.

    Молекула  тРНК по общей конформации напоминает клеверный лист на черешке. «Вершина листа» несет антикодон. Существует 61 тип тРНК с разными антикодонами. К «черешку листа» присоединяется аминокислота (существует 20 аминокислот, участвующих в синтезе полипептида на рибосомах). Каждой молекуле тРНК с определенным антикодоном соответствует строго определенная аминокислота. В то же время, определенной аминокислоте обычно соответствует несколько типов тРНК с разными антикодонами. Аминокислота ковалентно присоединяется к тРНК с помощью ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз. Эта реакция называется аминоацилированием тРНК.

    На  рибосомах к определенному кодону мРНК с помощью специфического белка  присоединяется антикодон соответствующей молекулы аминоацил-тРНК. Такое связывание мРНК и аминоацил-тРНК называется кодонзависимым. На рибосомах аминокислоты соединяются между собой с помощью пептидных связей, а освободившиеся молекулы тРНК уходят на поиски свободных аминокислот.

    Рассмотрим подробнее основные этапы биосинтеза белков.

    1 этап. Транскрипция ДНК. На транскрибируемой  цепи ДНК с помощью ДНК-зависимой  РНК-полимеразы достраивается комплементарная  цепь мРНК. Молекула мРНК является  точной копией нетранскрибируемой  цепи ДНК с той разницей, что вместо дезоксирибонуклеотидов в ее состав входят рибонуклеотиды, в состав которых вместо тимина входит урацил.

    2 этап. Процессинг (созревание) мРНК. Синтезированная  молекула мРНК (первичный транскрипт) подвергается дополнительным превращениям. В большинстве случаев исходная молекула мРНК разрезается на отдельные фрагменты. Одни фрагменты – интроны – расщепляются до нуклеотидов, а другие – экзоны – сшиваются в зрелую мРНК. Процесс соединения экзонов «без узелков» называется сплайсинг.

    Все стадии процессинга мРНК происходят в РНП-частицах (рибонуклеопротеидных комплексах).

    По  мере синтеза про-мРНК, она тут же образует комплексы с ядерными белками - информоферами. И в ядерные, и в цитоплазматические комплексы мРНК с белками - информосомы. Таким образом, мРНК не бывает свободной от белков. На всем пути следования до завершения трансляции мРНК защищена от нуклеаз. Кроме того, белки придают ей необходимую конформацию.

    Сплайсинг характерен для эукариот и архебактерий, но иногда встречается и у прокариот. Существует несколько видов сплайсинга. Сущность альтернативного сплайсинга заключается в том, что одни и те же участки исходной мРНК могут быть и интронами, и экзонами. Тогда одному и тому же участку ДНК соответствует несколько типов зрелой мРНК и, соответственно, несколько разных форм одного и того же белка. Сущность транс–сплайсинга заключается в соединение экзонов, кодируемых разными генами (иногда даже из разных хромосом), в одну зрелую молекулу мРНК.

    3 этап. Трансляция мРНК. Трансляция (как  и все матричные процессы) включает три стадии: инициацию (начало), элонгацию (продолжение) и терминацию (окончание).

    Инициация. Сущность инициации заключается  в образовании пептидной связи  между двумя первыми аминокислотами полипептида.

    Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином  – Мет–тРНКМет. Инициирующий комплекс узнает начало мРНК, присоединяется к ней и скользит до точки инициации (начала) биосинтеза белка: в большинстве случаев это стартовый кодон АУГ. Между стартовым кодоном мРНК и антикодоном метиониновой тРНК происходит кодонзависимое связывание с образованием водородных связей. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы.

    При объединении субъединиц образуется целостная рибосома, которая несет  два активных центра (сайта): А–участок (аминоацильный, который служит для  присоединения аминоацил-тРНК) и  Р–участок (пептидилтрансферазный, который служит для образования пептидной связи между аминокислотами).

    Первоначально Мет–тРНКМет находится на А–участке, но затем перемещается на Р–участок. На освободившийся А–участок поступает  аминоацил-тРНК с антикодоном, который  комплементарен кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ. В нашем примере это Гли–тРНКГли с антикодоном ЦЦГ, который комплементарен кодону ГГЦ. В результате кодонзависимого связывания между кодоном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК образуются водородные связи. Таким образом, на рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Ковалентная связь между первой аминокислотой (метионином) и её тРНК разрывается.

    После образования пептидной связи  между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. В результате происходит транслокация (перемещение) инициаторной метиониновой тРНКМет за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате свободная тРНКМет отщепляется и уходит на поиск своей аминокислоты.

    Вторая  тРНК вместе с аминокислотой (в нашем  примере Гли–тРНКГли) в результате транслокации оказывается на Р–участке, а А–участок освобождается.

    Элонгация. Сущность элонгации заключается  в присоединении последующих  аминокислот, то есть в наращивании полипептидной цепи. Рабочий цикл рибосомы в процессе элонгации состоит из трех шагов: кодонзависимого связывания мРНК и аминоацил-тРНК на А–участке, образования пептидной связи между аминокислотой и растущей полипептидной цепью и транслокации с освобождением А–участка.

    На  освободившийся А–участок поступает  аминоацил-тРНК с антикодоном, соответствующим  следующему кодону мРНК (в нашем  примере это Тир–тРНКТир с  антикодоном АУА, который комплементарен кодону УАУ).

    На  рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Связь между предыдущей аминокислотой и её тРНК (в нашем примере между глицином и тРНКГли) разрывается.

    Затем рибосома смещается еще на один триплет, и в результате транслокации тРНК, которая была на Р–участке (в нашем примере тРНКГли), оказывается за пределами рибосомы и отщепляется от мРНК. А–участок освобождается, и рабочий цикл рибосомы начинается сначала.

    Терминация. Заключается в окончании синтеза  полипептидной цепи.

    В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс–кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.

    Модификация белков. Как правило, синтезированный  полипептид подвергается дальнейшим химическим превращениям. Исходная молекула может  разрезаться на отдельные фрагменты; затем одни фрагменты сшиваются, другие гидролизуются до аминокислот. Простые белки могут соединяться с самыми разнообразными веществами, образуя гликопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины и другие сложные белки. Кроме того, аминокислоты уже в составе полипептида могут подвергаться химическим превращениям. Например, аминокислота пролин, входящая в состав белка проколлагена, окисляется до гидроксипролина. В результате из проколлагена образуется коллаген – основной белковый компонент соединительной ткани. Такие биохимические реакции называются ступенчатыми.

    Энергетика  биосинтеза белков. Биосинтез белков – очень энергоемкий процесс. При аминоацилировании тРНК затрачивается  энергия одной связи молекулы АТФ, при кодонзависимом связывании аминоацил-тРНК – энергия одной связи молекулы ГТФ, при перемещении рибосомы на один триплет – энергия одной связи еще одной молекулы ГТФ. В итоге на присоединение аминокислоты к полипептидной цепи затрачивается около 90 кДж/моль. При гидролизе же пептидной связи высвобождается лишь 2 кДж/моль. Таким образом, при биосинтезе большая часть энергии безвозвратно теряется (рассеивается в виде тепла). 
 
 
 

    3. Регуляция экспрессии  генов 

    Общие принципы регуляции  экспрессии генов

    Активность  генов определяется объемом генопродуктов (РНК и белков). Степень активности генов называется их экспрессией.

    Все гены клетки (и целостного организма) можно разделить на две группы: регуляторные и структурные. Регуляторные гены не транскрибируются, т.е. в обычных  условиях им не соответствует ни один из типов РНК. Структурные гены способны транскрибироваться с образованием РНК (матричной, рибосомальной, транспортной). В свою очередь, структурные гены делятся на конститутивные и индуцибельные.

    Конститутивные  гены постоянно включены: они функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся

• гены, обслуживающие матричные процессы (кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, рибосомальные белки),
• гены, кодирующие обязательные структурные компоненты клетки (например, белки-гистоны),
• гены, контролирующие постоянно протекающие обменные процессы (например, гликолиз). Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», без которых клетки не могут существовать.

    Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они  могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, или «гены  роскоши». К индуцибельным генам относятся как гены, контролирующие ход онтогенеза (переключатели, или диспетчеры), так и гены, прямо определяющие структуру и функции компонентов клетки и целостного организма.

    (Нужно  отметить, что строгой разницы  между перечисленными группами  генов не существует, поскольку один и тот же участок ДНК может выполнять разные функции.)

    Существуют  индуцибельные гены, в норме включенные, и гены, в норме выключенные. Включение  нормально выключенных индуцибельных  генов называется индукцией, выключение нормально включенных – репрессией.

    Регуляцию активности генов осуществляют молекулярно-генетические системы управления. На индукцию и  репрессию могут влиять самые  разнообразные факторы, которые  называются эффекторами. Одни из них  прямо закодированы в геноме организма (например, белки теплового шока), другие образуются как промежуточные продукты обмена веществ, третьи поступают в клетку извне в готовом виде из внешней среды или из других клеток (тканей) организма, четвертые образуются в клетке под влиянием физических факторов (экстремальных температур, ультрафиолета) и т.д. Особую группу эффекторов составляют белки теплового шока, которые синтезируются в клетке при различных видах стресса (при повышении температуры, при воздействии других неблагоприятных факторов). Эти белки эволюционно консервативны, они обнаружены у самых различных организмов; вероятно, они являются универсальными эффекторами.

    Именно  регуляцией активности генов объясняется  тот факт, что, несмотря на идентичность генотипов клеток многоклеточного  организма, они значительно различаются по строению и функции. Переключение синтеза с одних белков на другие лежит в основе всякого развития, будь то репродукция вирусов в зараженных клетках, рост и спорообразование у бактерий, развитие эмбрионов или дифференцировка тканей. На каждом этапе этих процессов синтезируются специфичные белки.

    Известно  несколько типов механизмов, с  помощью которых один и тот  же набор генов в неодинаковых условиях жизнедеятельности организма  и на разных стадиях развития детерминирует  синтез белков. Регуляция экспрессии (выражения) генов может осуществляться на нескольких уровнях: генном, транскрипционном, трансляционном и функциональном. Первый из них связан с изменением количества или локализации генов, контролирующих данный признак. Второй определяет, какие и сколько мРНК должны синтезироваться в данный момент. Третий обеспечивает отбор мРНК, транслирующихся на рибосомах. Четвертый связан с аллостерической регуляцией активности ферментов. Наконец, контроль действия генов может осуществляться путем посттрансляционной модификации полипептидов, посттранскрипционной модификации мРНК, и другими путями.

    Единицей  регуляции экспрессии генов у  прокариот является оперон. Оперон – это участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: промотор, оператор, структурные гены, терминатор.