Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 70)
22.6.5. Механизм синтеза белка
Данные, полученные с помощью различных методов в экспериментах на самых разнообразных организмах — от вирусов до млекопитающих, показали, что процесс синтеза белка состоит из двух этапов, схематически представленных на рис. 22.23.
Рис. 22.23. Схема главных этапов в процессе белкового синтеза
22.6.6. Транскрипция
Транскрипцией называют механизм, с помощью которого последовательность оснований в одном из цистронов цепи ДНК "переписывается" в комплементарную ей последовательность оснований мРНК. Как полагают, в области этого цистрона гистоны, связанные с двойной спиралью ДНК, отделяются, обнажая полинуклеотидные последовательности молекулы ДНК. Относительно слабые водородные связи между комплементарными основаниями полинуклеотидных цепей разрываются, что приводит к раскручиванию двойной спирали ДНК и освобождению одиночных цепей. С помощью механизма, который пока не выяснен, одна из этих цепей избирается в качестве матрицы для построения комплементарной одиночной цепи мРНК. Молекула мРНК образуется в результате связывания друг с другом свободных рибонуклеотидов под действием РНК-полимеразы в соответствии с правилами спаривания оснований ДНК и РНК (табл. 22.5 и рис. 22.24).
Как именно происходит транскрипция оснований ДНК в основания РНК, было продемонстрировано в опытах с синтетической ДНК, состоящей из нуклеотидов только одного вида-тимидина (ТТТ...). При введении этой ДНК в бесклеточную систему, содержавшую РНК-полимеразу и все четыре рибонуклеотидтрифосфата (А, У, Г и Ц), синтезировалась мРНК, содержавшая один лишь аденин.
Рис. 22.24. Схема механизма транскрипции. В присутствии РНК-полимеразы двойная спираль ДНК раскручивается в результате разрыва водородных связей между комплементарными основаниями, и из свободных рибонуклеозидтрифосфатов строится полинуклеотидная цепь мРНК. Она комплементарна транскрибируемой цепи ДНК, которая служит матрицей. (По E.J. Ambrose, D.M. Easty, Cell Biology. 1977, 2nd ed., Nelson.)
Синтезированные молекулы мРНК, несущие генетическую информацию, выходят из ядра через ядерные поры и направляются к рибосомам. После того как образовалось достаточное число молекул мРНК, транскрибированных с данного цистрона, транскрипция прекращается и две цепи ДНК на этом участке вновь соединяются, восстанавливая двойную спираль ("молния застегивается"), и опять связываются с гистонами.
22.6.7. Трансляция
Трансляцией называют механизм, с помощью которого последовательность триплетов оснований в молекулах мРНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Этот процесс происходит на рибосомах. Несколько рибосом могут прикрепиться к молекуле мРНК подобно бусинам на нитке, образуя структуру, называемую полисомой. Вся эта структура показана на рис. 22.25. Входящие в ее состав рибосомы связаны общей нитью толщиной 1,5 нм, что соответствует толщине одной цепи мРНК. Преимущество такого комплекса состоит в том, что при этом на одной молекуле мРНК становится возможным одновременный синтез нескольких полипептидных цепей (см. разд. 22.6.3). Каждая рибосома состоит из двух субъединиц-малой и большой (рис. 7.18). Как полагают, мРНК обратимо присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния (Mg2+). При этом два ее первых транслируемых кодона оказываются обращенными к большой субъединице рибосомы. Первый кодон связывает молекулу тРНК, содержащую комплементарный ему антикодон и несущую первую аминокислоту (обычно это метионин) синтезируемого полипептида. Затем второй кодон присоединяет комплекс аминоацил-тРНК, содержащий антикодон, комплементарный этому кодону (рис. 22.26, А и Б). Функция рибосомы заключается в том, чтобы удерживать в нужном положении мРНК, тРНК и белковые факторы, участвующие в процессе трансляции, до тех пор пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь.
Рис. 22.25. Процесс транскрипции и образование полисомы у бактерий. А. Электронная микрофотография участка хромосомы, на которой можно видеть последовательные стадии образования мРНК и присоединения рибосом. Б. Схематическое изображение структуры вроде показанной на микрофотографии
Как только новая аминокислота присоединилась к растущей полипептидной цепи, рибосома перемещается по нити мРНК с тем, чтобы поставить на надлежащее место следующий кодон. Молекула тРНК, которая перед этим была связана с полипептидной цепью, теперь, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому и возвращается в цитоплазму, чтобы образовать новый комплекс амино-ацил-тРНК (рис. 22.26, В).
Рис. 22.26. А и Б. Последовательные стадии прикрепления комплексов тРНК-аминокислота их антикодонами к кодонам мРНК и образования пептидной связи между соседними аминокислотами. В. Перемещение мРНК относительно рибосомы, приводящее к тому, что в надлежащем положении оказывается новый триплет, к которому теперь может присоединиться новый комплекс тРНК-аминокислота. Первая молекула тРНК отделилась от рибосомы и возвращается в цитоплазму, где она реактивируется ферментами, с тем чтобы образовать комплекс с аминокислотой
Такое последовательное "считывание" рибосомой заключенного в мРНК "текста" продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-кодонов (терминирующих кодонов). Такими кодонами служат триплеты УАА, УАГ или УГА. На этом этапе полипептидная цепь, первичная структура которой была детерминирована цистроном ДНК, покидает рибосому, и трансляция завершена. Перечислим главные этапы процесса трансляции:
1) присоединение мРНК к рибосоме;
2) активация аминокислоты и ее присоединение к тРНК;
3) инициация (начало синтеза) полипептидной цепи;
4) элонгация (удлинение) цепи;
5) терминация (окончание синтеза) цепи;
6) дальнейшее использование мРНК (или ее разрушение).
Процесс трансляции схематически представлен на рис. 22.27.
Рис. 22.27. Схема процесса трансляции. Антикодон каждого специфического комплекса тРНК-аминокислота спаривается с комплементарным ему кодоном мРНК на рибосоме. В приведенном здесь примере пептидная связь должна образоваться между лейцином и глицином, в результате чего к растущей полипептидной цепи добавится еще одна аминокислота
После того как полипептидные цепи отделились от рибосомы, они могут тотчас же приобретать свойственную им вторичную, третичную или четвертичную структуру (см. разд. 5.5.3).
Доказательства того, что включение аминокислоты в полипептидную цепь определяется комплементарным спариванием оснований между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а не самой аминокислотой, были получены в следующем эксперименте. Комплекс тРНК-цистеин обычно спаривается при помощи своего антикодона АЦА с кодоном УГУ мРНК. При воздействии на этот комплекс катализатора — никеля Ренея — цистеин превращается в аминокислоту аланин. Когда такой новый комплекс тРНК-аланин (несущий антикодон цистеиновой тРНК) помещали в бесклеточную систему, содержавшую в качестве мРНК поли-УГУ, синтезированная полипептидная цепь состояла из одного только аланина. Этот эксперимент подтвердил важную роль взаимодействия кодонов мРНК с антикодонами тРНК в процессе трансляции.
Вся последовательность событий, из которых складывается процесс белкового синтеза, схематически представлена на рис. 22.28.
Рис. 22.28. Упрощенная схема основных структур и процессов, участвующих в белковом синтезе
22.7. Регуляция активности генов
В этой главе мы описали механизмы, с помощью которых клетки передают генетический материал из поколения в поколение. Структура и функции генетического материала в настоящее время изучены достаточно подробно, однако в генетике остается еще ряд областей, где вопросов много, а ответов мало. За последние 30 лет генетические исследования сильно продвинулись вперед, и на многие фундаментальные вопросы ответы уже получены. Самые главные достижения — это, несомненно, открытие структуры ДНК и расшифровка генетического кода. Эти два открытия вдохновили других ученых и побудили их попытаться глубже проникнуть в тайны молекулярной генетики. Большая часть неразрешенных проблем, стоящих перед молекулярными генетиками, связана с механизмами, которые регулируют активность генов, участвующих в процессах метаболизма, развития и дифференцировки.
Классической генетикой установлено, что все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, т. е. содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели. И тем не менее клетки многоклеточного организма очень разнообразны по структуре и функциям. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может варьировать в зависимости от обстоятельств и потребностей. Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены при изучении регуляции синтеза ферментов у
В 1961 г. Жакоб и Моно провели ряд экспериментов, желая понять природу индукции синтеза ферментов у