Информация, содержащаяся в биологических последовательностях
Биополимеры - это синтезируемые живыми существами (биологические) полимеры . ДНК, РНК и белки относятся к линейным полимерам, то есть каждый входящий в их состав мономер соединяется с минимум двумя другими мономерами. Последовательность мономеров кодирует информацию, правила передачи которой описываются центральной догмой. Информация передаётся с высокой точностью, детерминистически и один биополимер используется как шаблон для сборки другого полимера с последовательностью, которая полностью определяется последовательностью первого полимера.
Универсальные способы передачи биологической информации
В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера - ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться 3 × 3 = 9 способами. Центральная догма разделяет эти 9 типов передачи информации на три группы:
- Общий - встречающиеся у большинства живых организмов;
- Специальный - встречающиеся в виде исключения, у вирусов и у мобильных элементов генома или в условиях биологического эксперимента ;
- Неизвестные - не обнаружены.
Репликация ДНК (ДНК → ДНК)
ДНК - основной способ передачи информации между поколениями живых организмов, поэтому точное удвоение (репликация) ДНК очень важна. Репликация осуществляется комплексом белков, которые расплетают хроматин , затем двойную спираль. После этого ДНК полимераза и ассоциированные с ней белки, строят на каждой из двух цепочек идентичную копию.
Транскрипция (ДНК → РНК)
Транскрипция - биологический процесс, в результате которого информация, содержащаяся в участке ДНК, копируется на синтезируемую молекулу мРНК . Транскрипцию осуществляют факторы транскрипции и РНК-полимераза . В эукариотической клетке первичный транскрипт (пре-иРНК) часто редактируется. Этот процесс называется сплайсингом .
Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.ПРОКАРИОТЫ. У прокариот синтез белка рибосомой (трансляция) пространственно не отделён от транскрипции и может происходить ещё до завершения синтеза мРНК РНК-полимеразой . Прокариотические мРНК часто полицистронные , то есть содержат несколько независимых генов .
ЭУКАРИОТЫ. мРНК эукариот синтезируется в виде предшественника, пре-мРНК, претерпевающего затем сложное стадийное созревание - процессинг , включающий присоединение кэп-структуры к 5"-концу молекулы, присоединение нескольких десятков остатков аденина к ее 3"-концу (полиаденилирование), выщепление незначащих участков - интронов и соединение друг с другом значащих участков - экзонов (сплайсинг). При этом соединение экзонов одной и той же пре-мРНК может проходить разными способами, приводя к образованию разных зрелых мРНК, и в конечном итоге разных вариантов белка (альтернативный сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая процессинг, экспортируется из ядра в цитоплазму и вовлекается в трансляцию.
Трансляция (РНК → белок)
Репликация РНК (РНК → РНК)
Репликация РНК - копирование цепи РНК на комплемлементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК реплицируются подобным способом.
Прямая трансляция белка на матрице ДНК (ДНК → белок)
Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки , которые содержали рибосомы , но не иРНК . Такие экстракты синтезировали белки с введённых в систему ДНК, и антибиотик неомицин усиливал этот эффект.
Эпигенетические изменения
Эпигенетические изменения - это изменения в проявлении генов, не обусловленные изменением генетической информации (мутациями). Эпигенетические изменения происходят в результате модификации уровня экспрессии генов, то есть их транскрипции и/или трансляции. Наиболее изученным видом эпигенетической регуляции является метилирование ДНК с помощью белков ДНК-метилтрансфераз , что приводит к временной, зависящей от условий жизни организма инактивации метилированного гена . Однако поскольку первичная структура молекулы ДНК при этом не изменяется, это исключение нельзя считать истинным примером передачи информации от белка к ДНК.
Прионы
Прионы - белки, которые существуют в двух формах. Одна из форм (конформаций) белка является функциональной, обычно растворимой в воде. Вторая форма образует нерастворимые в воде агрегаты, часто в виде молекулярных трубочек-полимеров. Мономер - молекула белка - в этой конформации способен просоединяться к другим сходным молекулам белка, переводя их во вторую, прионоподобную, конформацию. У грибов такие молекулы могут передаваться по наследству. Но, как и в случае метилирования ДНК, первичная структура белка в данном случае остаётся прежней, и переноса информации на нуклеиновые кислоты не происходит.
История возникновения термина «догма»
Оригинальный текст (англ.)
My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?!" And Crick gave a roar of delight. "I just didn"t know what dogma meant. And I could just as well have called it the "Central Hypothesis," or - you know. Which is what I meant to say. Dogma was just a catch phrase
Кроме того, в автобиографической книге «Что за сумасшедший поиск» («What mad pursuit») Крик писал о выборе слова «догма» и о вызванных этим выбором проблемах:
«Я назвал эту идею центральной догмой, я подозреваю, по двум причинам. Я уже использовал слово гипотеза в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное… Как оказалось, использование термина догма вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило… Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом догма, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».
Оригинальный текст (англ.)
I called this idea the central dogma, for two reasons, I suspect. I had already used the obvious word hypothesis in the sequence hypothesis, and in addition I wanted to suggest that this new assumption was more central and more powerful. ... As it turned out, the use of the word dogma caused almost more trouble than it was worth.... Many years later Jacques Monod pointed out to me that I did not appear to understand the correct use of the word dogma, which is a belief that cannot be doubted. I did apprehend this in a vague sort of way but since I thought that all religious beliefs were without foundation, I used the word the way I myself thought about it, not as most of the world does, and simply applied it to a grand hypothesis that, however plausible, had little direct experimental support.
См. также
Примечания
Ссылки
- B. J. McCarthy, J. J. Holland. Denatured DNA as a Direct Template for in vitro Protein Synthesis // PNAS . - 1965. - Т. 54. - С. 880-886.
- Werner, E. Genome Semantics, In Silico Multicellular Systems and the Central Dogma // FEBS Letters . - 2005. - В. 579. - С. 1779-1782. PMID 15763551
- Horace Freeland Judson. Chapter 6: My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?! // The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (25th anniversary edition). - 1996.
Основной постулат молекулярной биологии
Существуют три процесса молекулярной биологии
Приобретенная форма
Эта более частая форма оротатацидурии может наблюдаться:
· при дефекте каких-либо ферментов синтеза мочевины , кроме карбамоилфосфат-синтетазы. При этом карбамоилфосфат митохондрий (в норме используемый для образования мочевины) выходит из них и используется для избыточного синтеза оротовой кислоты. Заболевание обычно сопровождаетсягипераммониемией,
· при лечении подагры аллопуринолом, который может превращаться в оксипуринолмононуклеотид, являющийся ингибитором оротатдекарбоксилазы, что опять же ведет к накоплению оротата.
Основной фигурой матричных биосинтезов являются нуклеиновые кислоты РНК и ДНК. Они представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входят азотистые основания пяти типов, пентозы двух типов и остатки фосфорной кислоты. Азотистые основания в нуклеиновых кислотах могут быть пуриновыми (аденин ,гуанин ) и пиримидиновыми (цитозин , урацил (только в РНК), тимин (только в ДНК)). В зависимости от строения углевода выделяют рибонуклеиновые кислоты – содержат рибозу (РНК), идезоксирибонуклеиновые кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК).
Термин "матричные биосинтезы " подразумевает способность клетки синтезировать полимерные молекулы, таких как нуклеиновые кислоты и белки , на основе шаблона – матрицы . Это обеспечивает точную передачу сложнейшей структуры от уже существующих молекул к новосинтезируемым.
В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация ). Для использования генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция ). Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция ), обеспечивающих структуру и деятельность клетки.
На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии , согласно которой перенос генетической информации осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок.
Гибридизация уже широко используется
Если нагреть раствор ДНК выше температуры 90°С или сдвинуть рН в резко щелочную или резко кислую стороны, то водородные связи между нитями ДНК разрушаются и двойная спираль расплетается. Происходит денатурация ДНК или, по-другому, плавление . Если удалить агрессивный фактор, то происходитренатурация или отжиг . При отжиге нити ДНК "отыскивают" комплементарные участки друг у друга и, в конце концов, вновь сворачиваются в двойную спираль.
Если в одной "пробирке" провести плавление и отжиг смеси ДНК, например, человека и мыши , то некоторые участки цепей ДНК мыши будут воссоединяться с комплементарными участками цепей ДНК человека с образованием гибридов . Число таких участков зависит от степени родства видов. Чем ближе виды между собой, тем больше участков комплементарности нитей ДНК. Это явление называется гибридизация ДНК-ДНК .
Если в растворе присутствует РНК, то можно осуществить гибридизацию ДНК-РНК . Такая гибридизация помогает установить близость определенных последовательностей ДНК с какой-либо РНК.
Гибридизация ДНК-ДНК и ДНК-РНК используется как эффективное средство в молекулярной генетике, судебной медицине, антропологии для установления генетического родства между видами.
Весь процесс биосинтеза белка можно представить в виде очень простой схемы, которую необходимо хорошо запомнить (рис. 1). Представление о том, что генетическая информация хранится в клетке в виде молекулы ДНК и реализуется благодаря транскрипции в РНК и последующей трансляции в белок известно как «Центральная догма молекулярной биологии».
ДНК----®РНК-----® белок.
транскрипция трансляция
Как видно, функционирование (экспрессия) генов от ДНК до белка реализуется благодаря двум глобальным молекулярно-генетическим механизмам: транскрипции и трансляции.
Итак, генная информация у всех клеток закодирована в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Первый этап реализации этой информации состоит в образовании РНК по подобию ДНК, который называется транскрипцией.
I этап биосинтеза белка – транскрипция.
Транскрипция начинается с обнаружения особого участка гена в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции - промотора (рис. 2) с помощью специального фермента РНК-полимеразы. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи расходятся и на одной из них фермент осуществляет синтез м-РНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением правила комплементарности нуклеотидов. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид только в одном направлении, а именно от 5’ к 3’-концу, матрицей может служить только та цепь ДНК, которая обращена к ферменту своим 3’-концом. Такую цепь называют матричной или антисмысловой (рис.2). Другая, антипараллельная цепь ДНК, называется кодогенной или смысловой, т.к. последовательность нуклеотидов этой цепи полностью соответствует последовательности РНК и читается в том-же направлении, т.е. от 5’ к 3’-концу. Поэтому генетический код иногда пишут по молекуле РНК, иногда – по кодогенной ДНК.
Продвигаясь вдоль цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет последовательное точное переписывание информации до тех пор, пока она не встречает на своем пути STOP-кодон-терминатор транскрипции. У человека три стоп-кодона – TAG, TGA, ТAA (или UAG, UGA, UAA).
П этап биосинтеза белка -трансляция .
Трансляция включает 3 фазы: инициация, элонгация и терминация.
1 - Инициация - фаза начала синтеза полипептида.
1) Происходит объединение находящихся порознь в цитоплазме субчастиц рибосомы (большой и малой). Формируется рибосома, в составе которой различают пептидильный и аминоацильный центры.
2) Происходит присоединение к рибосоме первой аминоацил т-РНК.
Рассмотрим, как же проходят в клетке эти процессы.
1) В молекуле любой мРНК вблизи 5’-конца имеется участок, комплементарный последовательности нуклеотидов рРНК малой субчастицы рибосомы. Рядом с этим участком расположен стартовый кодон АУГ, кодирующий аминокислоту - метионин. Малая субчастица рибосомы соединяется с мРНК. Затем происходит объединение малой субчастицы с большой субчастицей, формируется рибосома. В рибосоме образуются два важных участка – пептидильный центр - П-участок и аминоацильный центр – А-участок. К концу фазы инициации П-участок занят аминоацил т-РНК, связанной со стартовой аминокислотой - метионином, а А-участок готов принять следующий за стартовым кодон.
2) В рибосомы транспортируются молекулы тРНК (см. таблицу, рис. 6). Молекулы тРНК состоят из 75-95 нуклеотидов и по форме напоминают лист клена (рис. 7). В своем составе они имеют два активных центра:
1) акцепторный конец, к которому присоединяется транспортируемая аминокислота путем ковалентной связи с затратой энергии 1 АТФ. Формируется аминоацил т-РНК.
2) антикодоновая петля, комплементарная кодону мРНК.
2-я фаза элонгация - удлиннение полипептида (рис. 6, таблица) .
Внутри большой субчастицы рибосомы одновременно находятся около 30 нуклеотидов мРНК и только 2 информативных триплета-кодона: один - в аминоацильном А-участке, другой - в пептидильном П-участке. Молекула тРНК с аминокислотой вначале подходит к А-центру рибосомы. В том случае, если антикодон т-РНК комплементарен кодону мРНК, происходит временное присоединение аминоацил-тРНК к кодону мРНК. После этого рибосома передвигается на 1 кодон по мРНК, а тРНК с аминокислотой перемещается в П-участок. К освободившемуся А-участку приходит новая аминоацил-тРНК с аминокислотой и вновь останавливается там в том случае, если антикодон тРНК комплементарен кодону м-РНК. Между аминокислотой и полипептидом образуется пептидная связь и одновременно разрушается связь между аминокислотой и ее тРНК, а также между тРНК и мРНК. Освободившаяся от аминокислоты тРНК выходит из рибосомы в цитоплазму. Она готова соединиться со следующей аминокислотой. Рибосома снова перемещается на 1 триплет.
Когда нас в университете надменные биохимики спрашивали, с чего это мы считаем молекулярную биологию наукой, в то время, как это всего-лишь отрасль биохимии, я даже не нашлась что сказать. Потом, вооружившись понятиями из методологии науки, все-таки определила, что наука должна иметь «Объект» и «Методы», отличные от других наук. В это смысле, объект молекулярной биологии — это всего два типа молекул, оба биологические полимеры (то есть это цепочки, которые состоят из мономеров).
Первый тип молекул это нуклеиновые кислоты
: ДНК и РНК. Мономеры ДНК это нуклеотиды и их всего четыре: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Мономеры РНК почти те же, за исключением того, что вместо тимина используется урацил (У).
Второй тип молекул это белки
. Мономер белка — аминокислота. Их есть всего 20 разных.
(Кроме четырех основных нуклеотидов и 20 аминокислот в природе существуют еще различные вариации, но это мы пока не рассматриваем и для понимания догмы это не важно).
Про перенос информации поподробнее, ибо это и есть Основная Догма, которую впервые озвучил Фрэнсис Крик в 1970 году в журнале Nature:» The central dogma of molecular biology deals with the detailed residue-by-residue transfer of sequential information. It states that such information cannot be transferred back from protein to either protein or nucleic acid.» Выглядела тогда эта догма вот так: информация переносится в направлении ДНК—>РНК—>белок .
С тех пор все изменилось и обросло подробностями, которые если не опрокинули Догму, то существенно ее поправили и дополнили. Но все по-порядку. То есть направление передачи ДНК—>РНК—>белок никто не отменил и это основной поток передачи информации в живой клетки. И сначала про него.
ДНК
это двухцепочечный полимер, находится в клеточном ядре
(есть еще не только в ядре, но и в митохондрии например) и способно удваиваться. То есть это передача наследственной информации от родителей к потомкам. Процесс удваивания ДНК называется репликация
. Репликацию осуществляет комплекс энзимов, который раскручивает полимер, а другой энзимный комплекс синтезирует копию ДНК из отдельных нуклеотидов (тех, которых четыре, и которые А, Т, Г и Ц) по принципу комплементарности (не буду останавливатся на принципе, надеюсь это даже со школы забыть сложно. Скажу только, что для Т комплементарен А, а для Г, соответственно Ц, причем пара ГЦ образует более сильную химическую связь). Напомню, это перенос ДНК—>ДНК (репликация).
Помимо репликации, на ДНК может происходить синтез матричной РНК (мРНК
). Называется этот процесс транскрипция.
Происходит это там же в ядре. мРНК синтезируется на генных участках генома (да, есть еще другие). Другими словами, мРНК это работающий ген. мРНК одноцепочечная.
Транскрипцию осуществляет энзимный комплекс транскрипционных факторов, которые определяют, какой ген сейчас надо «включить» и насинтезировать из него мРНК, и энзимный комплекс РНК-полимеразы, которая как-раз и синтезирует на ДНК РНКу, по тому же самом принципу комплементарности (только не забываем, что вместо тимидина встраивается урацил). Напомню, это перенос ДНК—>РНК (транскрипция).
Насинтезировання мРНК из ядра переносится в цитозоль (содержимое клетки). Там она модифицируется, проходит так называемый процессинг, из нее лишнее вырезается (интроны), надевается шапочка и пришивается длинный хвост из полиаденина. После этого мРНК готова для того, чтобы с нее считали информацию и насинтезировали белок , согласно коду. Это процесс называется трансляция . Для этого она встречается с большой машиной, которая называется рибосома и которая состоит из большого количества запчастей, в основном это белки, структурные и регуляторные, есть также РНК, но вы не путайтесь, это химически РНК, а структурно это кирпич). Рибосома нанизывается на мРНК и включает процесс трансляции. По очереди прочитываются по три нуклеотида (триплет), каждому триплету соответствует одна аминокислота (которых всего 20), правильную аминокислоту подносят маленькие транспортные молекулы (тоже, кстати, РНК, но вы постарайтесь не путаться, это химически РНК, а функционально это машинка такая). В общем это так выглядит, рибосома едет по мРНК, считывает информацию, а с другой стороны у нее вылазит белок, который затем приводится в порядок, то есть скручивается в клубок. Напомню, это перенос РНК—>белок (трансляция).
Остальной перенос информации от РНК на ДНК, от РНК на РНК, от ДНК на белок, а также интересный случай перенсения информации из белка на белок и как на это смотрит Догма, мы рассмотрим с следующей главе. А на завершение тест по материалу:
I.Трансляция это:
1. что-то из радио и телевидения?
2. процесс считывания информации с мРНК рибосомой и синтез белка.
3. я все еще путаю транскрипцию и трансляцию.
II.Молекулярные биологи это:
1. недоученные биохимики.
2. ученые, работающие с двумя типами биологических полимеров.
3. согласен с определением по Юзу Алешковскому .
III.Рибосома это:
1. такая рыба
2. путаю с хромосомой
3. молекулярная машина, с помощью которой происходит процесс трансляции.
IV.Нуклеотидов в природе:
1. 20
2. 4 в ДНК плюс 4 в РНК. Вместе получается 5.
3. 22+X(Y)
Строение клеточного ядра
Фракционирование клеток.В настоящее время фракционирование позволяет получать практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра, ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли эндоплазматического ретикулума, и т.д.
Специальные методы
Перед получением клеточных фракций клетки разрушают путем гомогенизации. Затем из гомогенатов выделяют фракции. Основным способом выделения клеточных структур является разделительное центрифугирование. Оно основано на том, что более тяжелые частицы быстрее оседают на дно центрифужной пробирки.
При небольших ускорениях (1-3 тыс. g) раньше оседают ядра и неразрушенные клетки, при 15-30 тыс. g оседают более крупные частицы или маакросомы, состоящие из митохондрий, мелких пластид, пероксисом, лизосом и др., при 50 тыс. g оседают микросомы, фрагменты вакуолярной системы клетки. При повторном центрифугировании смешанных подфракций выделяют чистые фракции. Для более тонкого разделения фракций используют центрифугирование в градиенте плотности сахарозы. Получение отдельных клеточных компонентов позволяет изучать их биохимию и функциональные особенности, создавать бесклеточные системы, например, для рибосом, которые могут синтезировать белок по заданной экспериментатором информационной РНК, или для воссоздания клеточных надмолекулярных структур. Такие искусственные системы помогают изучать тонкие процессы, протекающие в клетке.
Метод клеточной инженерии. После специальной обработки различные живые клетки могут сливаться друг с другом и образовывать двуядерную клетку или гетерокарион. Гетерокарионы, особенно образованные из близкородственных клеток (например, мыши и хомячки), могут вступать в митоз и давать истинно гибридные клетки. Другие приемы позволяют конструировать клетки из разных по происхождению ядер и цитоплазмы.
В настоящее время клеточная инженерия широко применяются не только в экспериментальной биологии, но и в биотехнологии. Например, при получении моноклональных антител.
Клетка обладает огромным числом разнообразных функцй, главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят с участием белков-ферментов. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинаются с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.
Белки – это основные компоненты практически всех клеточных структур. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи обуславливается структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Это положение является основным постулатом молекулярной биологии или её «догмой». Кроме того центральная догма подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку (ДНК ® иРНК ® белок) и отрицает обратные пути - от белка к нуклеиновой кислоте.
На основании современных знаний биосинтез белков представляет собой следующую принципиальную схему.
Главная роль в определении специфической структуры белков принадлежит ДНК. Молекула ДНК, состоящая из двух взаимозакрученных полимерных цепей, представляет собой линейную структуру, мономерами, которой являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. За синтез каждого белка ответствен определенный участок молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК, в котором заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка. назвали цистроном. В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген.
Известно, что, в отличие от остальных компонентов белоксинтезирующего аппарата, местом нахождения в клетках ДНК эукариотических организмов является клеточное ядро. У низших (прокариотических) организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отделена от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидов.
В основе макромолекулярной структуры ДНК лежит так называемый принцип комплементарности. Он означает, что противолежащие нуклеотиды двух взаимозакрученных цепей ДНК своей пространственной структурой дополняют друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).
Синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. В каждой «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.
Необходимо подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК и открытие этого является одним из главных достижений биологии.
Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального фермента, носящего название ДНК-полимеразы. Именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу.
Следовательно, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Благодаря этому информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься теоретически неограниченное количество «копий» – молекул РНК. Молекулы РНК входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают непосредственное участие в синтезе белковых молекул. Иными словами, они переносят информацию от мест её хранения в места её реализации. Вот почему эти РНК обозначают как информационные или матричные РНК, сокращенно мРНК или иРНК.
Синтезирующаяся цепь информационной РНК в качестве матрицы прямо использует соответствующий участок ДНК. При этом синтезируемая цепь мРНК точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Всё происходит на основе того же принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК. В итоге происходит «переписывание» или транскрипция информации с ДНК на РНК. «Переписанные» сочетания нуклеотидов РНК уже непосредственно определяют расстановку кодируемых ими аминокислот в цепи белка.
Теперь как создается белок? Известно, что рода мономерами белковой молекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют свои специфические, присоединяющие только этот сорт аминокислоты молекулы адапторных РНК. В навещенном на РНК виде, аминокислоты поступают в белоксинтезирующие частицы - рибосомы и уже там под диктовку информационной РНК расставляются в цепочку синтезируемого белка.
Главным в биосинтезе белка является слияние в рибосомах двух внутриклеточных потоков – потока информации и потока материала. Рибосомы - это биохимические «машины» молекулярных размеров, в которых из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Каждая клетка сдержит тысячи рибсом, по их количеству в клетке определяют интенсивность белкового синтеза. По своей химической природе рибосома относится к рибонуклеопротеидам и состоит из особой рибосомной РНК и молекул рибосомного белка. Рибосомы обладают свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы. Сущность процесса заключается в том, что линейная расстановка 20 сортов аминокислот в цепи белка определяется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи совсем иного полимера – нуклеиновой кислоты (мРНК). Поэтому этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод» - перевод с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. В данном процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомная РНК, играющая роль организатора рибосомы, и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.
Процесс синтеза белка начинается с образования соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК. При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем «активированная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.
Следует добавить, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот существуют свои ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты
