Биосинтез белков. Процессы репликации, транскрипции и трансляции. Мутагенез и наследственные заболевания. Биотехнология и генная инженерия.

К биологическим мутагенам относят ДНК- и РНК-содержащие вирусы, некоторые полипептиды и белки, например О-стрептолизин и ряд ферментов рестриктаз, а также препараты некоторых ДНК и определенные плазмиды. Механизмы образования мутаций при действии различных биологических факторов не вполне ясны, однако агенты, содержащие нуклеиновые кислоты, могут вызывать нарушение процессов рекомбинации,

что приводит к возникновению мутаций. Действие рестриктаз сводится к «разрезанию» цепей ДНК в месте (локусе) определенной последовательности нуклеотидов, специфичном для каждой рестриктазы.

Для устранения первичных повреждений генетических структур, вызванных мутагенами, в клетке существует ряд систем восстановления, или репарации, генетических повреждений. В настоящее время таких систем насчитывается более десяти. Однако в ходе репарации часть первичных повреждений может остаться и привести к возникновению мутаций.

По характеру изменения генотипа различают генные (точечные, или точковые) мутации, хромосомные мутации и геномные мутации. Генные мутации представляют собой наследственные, микроскопически невыявляемые изменения в хромосомах. При использовании высокоразрешающих методов анализа хромосом у человека установлено, что природа ряда мутаций, ранее считавшихся генными. приводящих, например, к появлению ретинобластом, синдромов Лангера — Гидиона, Прадера — Вилли и др., состоит в делении (потере) участка хромосомы. Истинно генные мутации связаны либо с заменой пары азотистых оснований в полинуклеотидной цепи ДНК, что было впервые установлено для серповидно-клеточной анемии у человека, либо с вставкой или выпадением нескольких отдельных нуклеотидов, характерных для мутаций типа сдвига «рамки считывания».

Все эти реакции - матричные, т. е. на одной матрице (молекуле ДНК или и-РНК) может синтезироваться бесконечное количество копий. Они основаны на принципе комплементарности - т. е. на соответствии друг другу пар нуклеотидов (репликация и транскрипция) или триплетов нуклеотидов и аминокислот (трансляция) . Все эти реакции - ферментативные.
РЕПЛИКАЦИЯ = удвоение ДНК. Это полуконсервативная матричная реакция. Материнская ДНК состоит из 2 комплементарных друг другу полинуклеотидных цепей; комплементарные нуклеотиды соединены друг с другом водородными связями, которые и связывают эти 2 цепи в двойную спираль. В процессе репликации эти водородные связи разрушаются, и на каждой из цепей синтезируется новая (дочерняя) полинуклеотидная цепь по принципу комплементарности: аденину комплементарен тимин, а гуанину - цитозин. Таким образом, в каждой новой молекуле ДНК одна цепь - материнская, а другая - дочерняя (в этом и заключается полуконсервативность синтеза) .
ТРАНСКРИПЦИЯ (от англ. transcript - переписывание) - синтез и-РНК на ДНК (каждая молекула и-РНК копирует 1 ген) . Принцип тот же, но адениловому нуклеотиду ДНК комплементарен не тимидиловый, а урациловый нуклеотид РНК. Синтез и-РНК обычно протекает только на одной из цепей ДНК.
Реплицация и транскрипция происходят в ядре клетки.
ТРАНСЛЯЦИЯ (от англ. translate - перевод) - синтез молекулы белка (полипептидной цепи) на молекуле и-РНК. Происходит в цитоплазме на рибосомах (на гранулярной ЭПС, в митохондриях, хлоропластах) . В рибосомах имеются 2 активных центра - аминоацильный и пептидильный, в которых осуществляется присоединение к полипептидной цепи новых аминокислот (реакция поликонденсации) в соответствии с генетическим кодом (каждому триплету нуклеотидов = кодону соответсвует определённая аминокислота; генетический код вырожден: многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими кодонами) . Аминокислоты к месту синтеза (рибосомам) транспортируются молекулами т-РНК, имеющими на средней петле антикодон, комплементарный кодонам и-РНК, кодирующим соответствующую аминокислоту. После присоединения аминокислоты, соответствующей находящемуся в активном центре рибосомы триплету и-РНК, рибосома делает "шаг", и в активном центре оказывается следующий триплет. На одной молекуле и-РНК одновременно идёт синтез нескольких полипептидных цепей на нескольких рибосомах (комлекс и-РНК и рибосом = полисома) .

Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) – совокупность реакций биологического синтеза. Название этого вида обмена отражает его сущность: из веществ, поступающих в клетку из вне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Биосинтез белков осуществляется во всех клетках про -и эукариот. Информация о первичной структуре (порядке аминокислот) белковой молекулы закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК — гене.

Ген— это участок молекулы ДНК, определяющий порядок аминокислот в молекуле белка. Следовательно, от порядка нуклеотидов в гене зависит порядок аминокислот в полипептиде, т.е. его первичная структура, от которой в свою очередь зависят все другие структуры, свойства и функции белковой молекулы.

Система записи генетической информации в ДНК (и - РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом. Т.е. единица генетического кода (кодон) — это триплет нуклеотидов в ДНК или РНК, кодирующий одну аминокислоту.

Всего генетический код включает 64 кодона, из них 61 кодирующий и 3 некодирующих (кодоны-терминаторы, свидетельствующие об окончании процесса трансляции).

Кодоны-терминаторы в и - РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.

Начало процесса трансляции определяет кодон-инициатор (АУГ, в ДНК — ТАЦ), кодирующий аминокислоту метионин. Этот кодон первым входит в рибосому. Впоследствии метионин, если он не предусмотрен в качестве первой аминокислоты данного белка, отщепляется.

Генетический код обладает характерными свойствами.

1. Универсальность — код одинаков для всех организмов. Один и тот же триплет (кодон) в любом организме кодирует одну и ту же аминокислоту.

2. Специфичность — каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

3. Вырожденность — большинство аминокислот могут кодироваться несколькими кодонами. Исключение составляют 2 аминокислоты — метионин и триптофан, имеющие лишь по одному варианту кодона.

4. Между генами имеются «знаки препинания» — три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза полипептидной цепи.

5. Внутри гена «знаков препинания» нет.

Для того, чтобы синтезировался белок, информация о последовательности нуклеотидов в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа – транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК.

Она (и - РНК) является посредником, передающим информацию от ДНК к месту сборки молекул белка в рибосоме. Синтез и - РНК (транскрипция) происходит следующим образом. Фермент (РНК - полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (кодирующей) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК. Синтезированная таким образом (матричный синтез) молекула и - РНК выходит в цитоплазму, и на один ее конец нанизываются малые субъединицы рибосом.

Второй этап в биосинтезе белка — трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и - РНК в последовательность аминокислот в полипептиде. У прокариот, не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и - РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и - РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой и - РНК. Кроме функций переноса эти белки защищают и - РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

В цитоплазме на один из концов и - РНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептида. По мере продвижения по молекуле РНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и - РНК обеспечивается т - РНК.

Транспортные РНК (т - РНК) «приносят» аминокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т - РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме напоминает лист клевера. На ее верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), который соответствует определенной аминокислоте, а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты (рис. 1).

biosintez

Рис. 1. Схема строения транспортной РНК: 1 — водородные связи; 2 — антикодон; 3 —место прикрепления аминокислоты.

Каждая т - РНК может переносить только свою аминокислоту. Т-РНК активируется специальными ферментами, присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Внутри рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к и-РНК. Ко второму кодону присоединяется вторая т-РНК, несущая свою аминокислоту. Аминокислоты располагаются рядом в большой субъединице рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез) (рис. 2).

sintez_belka2

Рис. 2. Схема бисинтеза белка: 1 — и-РНК; 2 - субъединицы рибосомы; 3 — т-РНК с аминокислотами; 4 — т-РНК без аминокислот; 5 — полипептид; 6 — кодон и-РНК; 7- антикодон т-РНК.

Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь. Однако, нередко по одной молекуле и-РНК движется несколько рибосом. Такие комплексы называются полирибосомами. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1с бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.

В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам. Белковыевещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, они входят в состав цитоплазмы. Белкиобладают необычайно высокой реакционной способностью. Они наделены каталитическими функциями, т.е. являются ферментами, поэтому белки опреде ляют направление, скорость и теснейшуюсогласованность, сопряженность всех реакций обмена веществ.

Ведущая роль белков в явлениях жизни связана с богатством и разнообразием их химическихфункций, с исключительной способностью к различным превращениям и взаимодействиям с другимипростыми и сложными веществами, входящими в состав цитоплазмы.

Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки — ядра, а также цитоплазмы,рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль внаследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.

Процесс синтеза белка является очень сложным многоступенчатым процессом. Совершается он вспециальных органеллах — рибосомах. В клетке содержится большое количество рибосом. Например, укишечной палочки их около 20 000.

Каким образом происходит синтез белка в рибосомах?

Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки, составленные изотдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собойсамостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка,аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под действием особых ферментов.Причем каждая аминокислота имеет свой, специфически настроенный на нее фермент.

Источником энергии для этого (как и для многих процессов в клетке) служит аденозинтрифосфат(АТФ).

В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того жефермента связывается с т-РНК.

Важным является то, что каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК. Онанаходит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому. Поэтому такая РНК и получила названиетранспортной.

Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные сосвоими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих внего различных аминокислот (рис. 13 А и Б).

Возникает вопрос: от чего зависит порядок связывания между собой отдельных аминокислот? Ведьименно этот порядок и определяет, какой белок будет синтезирован в рибосоме, так как от порядкарасположения аминокислот в белке зависит его специфика. В клетке содержится более 2000 различных построению и свойствам специфических белков.

Оказывается, что одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосомупоступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосомесинтезируется тот или иной белок, тот или иной фермент (так как ферменты являются белками).

Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощьюособого посредника, той формы РНК, которая получила название матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК).

Информационная РНК синтезируется в ядре иод влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает составДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК.

Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план — в какомпорядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобысинтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК,передается на и-РНК и далее на белок.

Молекула информационной РНК поступает в рибосому и как бы прошивает ее. Тот ее отрезок, которыйнаходится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет), взаимодействует совершенноспецифично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, котораяпринесла в рибосому аминокислоту. Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит копределенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНКприсоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так далее, до тех пор пока не будет считана всяцепочка и-РНК и пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулубелка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи,освобождается от своей аминокислоты и выходит иэ рибосомы. Затем снова в цитоплазме к ней можетприсоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белкаучаствует одновременно не одна, а несколько рибосом — полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации: синтез на ДНК как на матрице и-РНК(транскрипция) и синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК(трансляция), универсальны для всех живых существ. Однако временные и пространственныевзаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.

У организмов, обладающих па стоящим ядром (животные, растения), транскрипция и трансля циястрого разделены в пространстве и времепи: синтез различных РНК происходит в ядре, после чегомолекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану (рис. 13 А). Затем вцитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка— рибосомам. Лишь после этого паступаетследующий этап — трансляция.

У бактерий, ядерное вещество которых не отделено от цитоплазмы мембраной, транскрипция итрансляция идут одновременно (рис. 13 Б).

Современные схемы, иллюстрирующие работу генов, построены на основании логического анализаэкспериментальных данных, полученных с помощью биохимических и генетических методов. Применениетонких электронно-микроскопических методов позволяет в буквальном смысле слова увидеть работунаследственного аппарата клетки. В последнее время получены электронно-микроскопические снимки, накоторых видно, как на матрице бактериальной ДНК, в тех участках, где к ДНК прикреплены молекулы РНК-полимеразы (фермента, катализирующего транскрипцию ДНК в РНК), происходит синтез молекул и-РНК.Нити и-РНК, расположенные перпендикулярно к линейной молекуле ДНК, продвигаются вдоль матрицы иувеличиваются в длине. По мере удлинения нитей РНК к ним присоединяются рибосомы, которые,продвигаясь, в свою очередь, вдоль нити РНК по направлению к ДНК, ведут синтез белка.

Из всего сказанного следует, что местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являютсярибосомы. Образно выражаясь, это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают всематериалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка иэ аминокислот. Природа жесинтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строениеи-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядокрасположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, отстроения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теорияназывается потому, что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана всяинформация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода являетсякрупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярногомеханизма наследственности.

6.1. Биотехнология

Биотехнология является наукой, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов, главным образом микроорганизмов, животных и растительных клеток, использует эти биологические процессы, а также сами биологические объекты для промышленного производства продуктов, необходимых для жизни человека или воспроизводства биоэффектов, не проявляющихся в естественных условиях (А.А. Воробьев).

6.1.1. Объекты биотехнологии, ее цели и задачи

Биотехнология (от греч. bios - жизнь, tecen - искусство, logos - наука) представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генной инженерии, иммунологии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе для медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях. Целью биотехнологии являются получение продуктов из биологических объектов или с их применением, а также воспроизводство биоэффектов, не встречающихся в природе. В качестве биологических объектов чаще всего используются одноклеточные микроорганизмы, животные и растительные клетки, а также организм животных, человека или растений. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами.

Клетки являются своего рода биофабриками, вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и т.д. Многие

из этих продуктов, крайне необходимых в жизни человека, пока недоступны для получения небиотехнологическими способами.

Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 мин, дрожжевая - через 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.

Биосинтез сложных веществ, таких, как белки, антибиотики, антигены, антитела, значительно экономичнее и технологически доступнее, чем другие виды химического синтеза. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще, дешевле и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для этого используются отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырье, например рыбная мука, меласса, дрожжи, древесина и др.

Биотехнология использует следующие продукты одноклеточных:

• сами клетки как источник целевого продукта;

• крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания, - ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

• первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества (мол. масса менее 1500 Д), необходимые для роста клеток - аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты и др.;

• вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные и макромолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток, - антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны и др.

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный, пригодный для использования продукт.

Помимо микроорганизмов, животных и растительных клеток, биотехнология в качестве биологических объектов использует органы и ткани человека и животных, растения, организм животных и человека. Например, для получения инсулина используется поджелудочная железа крупного рогатого скота и свиней, гормона роста - гипофизы трупов человека, иммуноглобулинов - организм лошадей и других животных, препаратов крови - кровь доноров и т.д.

Биотехнология, используя перечисленные выше биологические объекты, получает огромный ассортимент продукции, применяемой в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой и химической промышленности, других отраслях народного хозяйства. К ним относятся продукты, без которых немыслимо существование современного человека: антибиотики, витамины, ферменты, вакцины, гормоны, аминокислоты, нуклеотиды, комплемент и препараты крови, иммуномодуляторы, антитела, диагностические препараты, сердечно-сосудистые, противоопухолевые и множество других фармацевтических препаратов, пищевые и кормовые белки, биологические средства защиты растений, инсектициды, сахара, спирты, липиды, дрожжи, кислоты, бутанол, ацетон и др.

Помимо этого биотехнология играет большую роль в оздоровлении окружающей среды: с помощью биотехнологических процессов проводят очистку от загрязняющих веществ почвы, водоемов, воздушной среды путем их биоконверсии и биодеградации.

Однако биотехнология не ограничивается получением только вышеперечисленных продуктов. Значительные, более масштабные и революционные проблемы она решает на пути создания трансгенных животных и растений, т.е. создания новых, ранее неизвестных пород животных и растений, а также клонирования животных. Новейший раздел биотехнологии - генная и белковая инженерия - позволяет получать совершенно уникальные биотехнологические эффекты, открывать способы диагностики, профилактики и лечения врожденных болезней, влиять на свойства генома человека, животных и растений.