Реализация информации, содержащейся в ДНК, начинается с этапа транскрипции.
Информация о структуре белков хранится в ДНК в ядре, а синтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме. В качестве посредника, передающего информацию о строении определенного белка к месту ее синтеза выступает информационная РНК. Информационная РНК является копией одного гена. Транскрипция («переписывание») – перенос генетической информации от ДНК к РНК. Это синтез одноцепочечной молекулы РНК на матрице ДНК.
1. Фермент РНК-полимераза «узнает» в ДНК промотор (место посадки РНК-полимеразы), присоединяется к нему, и перемещаясь вдоль ДНК, последовательно расплетает двойную спираль ДНК.
2. Начиная с промотора, копируется одна из цепей ДНК, в результате образуется комплементарная ей информационная РНК. После достижения участка остановки – терминатора – транскрипция прекращается.
Второй этап реализации наследственной информации начинается после отсоединения молекул ДНК от РНК. Он называется процессингом. Это созревание, образование молекул иРНК, представляющих собой непрерывную последовательность нуклеотидов, комплементарную только экзонам – кодирующим участкам гена. Обычно к 5´-концу добавляется кэп (шапочка) – молекулы 7-метилгуанозина, а к 3´-концу – хвост (поли(А)фрагмент – большое количество молекул аденозинмонофосфата), внутренняя последовательность РНК также изменяется: происходит сплайсинг – вырезаются интроны.
Третий этап – трансляция – это перенос информации с последовательности нуклеотидов иРНК на аминокислотную последовательность белка. Процесс происходит в рибосомах - рибонуклеопротеиновых частицах, присутствующих в цитоплазме клеток, при участии тРНК. Рибосома представлена двумя субъединицами – большой и малой.
С помощью ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаза) аминокислоты узнают соответствующие тРНК, присоединяются к ним, и тРНК переносят их к месту синтеза белка в рибосому. Все тРНК имеют 3 функциональных участка:
1. Участок узнавания фермента, определяющий, какая именно аминокислота присоединится к данной тРНК.
2. Акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота. Он одинаков у всех тРНК и имеет последовательность ЦЦА.
3. Участок, состоящий из трех нуклеотидов – антикодон, определяющий то место в синтезируемой молекуле белка, какое должна занять данная аминокислота.
Трансляция состоит из трех стадий:
1. Инициация. Начинается с прикрепления малой субъединицы рибосомы к мРНК на участке связывания, который содержит обычно три нуклеотида – АУГ. Каждой аминокислоте в мРНК соответствует определенная тройка – триплет нуклеотидов, называемый кодоном. Кодон комплементарен антикодону соответствующей тРНК. Если в рибосоме на мРНК будет кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ. Затем туда же присоединяется тРНК, несущая метионин, поскольку ее антикодон комплементарен последовательности АУГ на мРНК. После этого большая и малая субъединицы рибосомы соединяются, образуется активная рибосома. В субъединице имеется 2 области: Р-участок (пептидильный) и А-участок (аминоацильный). При образовании рибосомы тРНК с метионином оказываются в Р-участке, а в А-участке присоединяется следующая тРНК, антикодон которой комплементарен нуклеотидам, расположенным на мРНК следом за последовательностью АУГ. В большой субъединице рибосомы происходит соединение двух аминокислот с образованием пептидной связи с участием фермента – пептидил-трансферазы. Затем рибосома смещается вдоль мРНК на один триплет, тРНК из А-участка оказывается на Р-участке. А-участок освобождается для другой тРНК. Таким образом происходит считывание информации.
2. Элонгация (удлинение цепи). Многократное повторение подобного процесса, включающего образование пептидной связи между аминокислотами и продвижение рибосомы вдоль цепи мРНК на один участок, соответствующий одному триплету, приводит к постоянному удлинению полипептидной цепи. При освобождении начального участка мРНК по мере продвижения рибосомы к нему может присоединяться другие рибосомы, и образуется новая система для синтеза белка. Обычно на одной мРНК может находиться до 100 рибосом. Такая структура называется полирибосомой, или полисомой.
3. Терминация. Образование полипепидной цепи продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет нуклеотидной последовательности на мРНК, которая не кодирует аминокислоты – «стоп-кодон» (УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка. Когда на А-участке рибосомы оказывается стоп-кодон, туда входит специальный терминирующий белок, который освобождает полипептид от рибосомы.
На следующем этапе полипептидные цепи транспортируются к специфическим органоидам клетки и модифицируются с образованием зрелого, функционально активного белка.
Таким образом, процесс передачи и реализации наследственной информации с молекулы ДНК осуществляется путем образования различных белков с участием различных типов РНК.
Полностью процесс передачи генетической информации от ДНК с помощью РНК к белкам называют экспрессией (работой) гена.
Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:
Дополнительный материал:
В 1972 г. Дж. Уотсон заметил, что белковая машина копирования ДНК (полимераза), не может начать считывание ДНК с самого начала. Молекуле полимеразы сначала нужно прикрепиться к цепи ДНК, в результате часть нуклеотидов оказывается за активным центром полимеразы и не копируется. Каждый раз скопированный текст становится чуть короче оригинала. Представьте себе копировальную машину, которая обеспечивает идеальное качество, но всегда начинает копирование текста со второй строки и заканчивает на предпоследней. Единственный способ справиться с такой ненормальной машиной – заполнить первую и последнюю строки страницы бессмысленными повторами букв, которые не жалко потерять. Именно так и поступают хромосомы. Каждая хромосома представляет собой длинную страницу текста, которая копируется полимеразой полностью, за исключением самого начала и самого конца. Поэтому на своих концах хромосомы содержат бессмысленный текст более чем из тысячи повторов фразы ТТАГГ. Эти повторяющиеся фрагменты ДНК называются теломерами. Благодаря их наличию на концах хромосом не происходит потери жизненно важной информации. Как металлический наконечник на конце шнурка, теломеры предохраняют хромосому от изнашивания.
Но каждый раз после копирования хромосомы число теломер на концах уменьшается. После снятия сотни копий хромосома оказывается настолько короткой, что под угрозой находятся жизненно важные гены. В среднем теломерные концы хромосом уменьшаются на 31 букву в год, но в тканях с высокой скоростью деления концы хромосом «сгорают» значительно быстрее. Вот почему клетки стареют и умирают к определенному возрасту. К восьмидесяти годам остается в среднем 5/8 от числа теломер, которые были при рождении.
В яйцеклетках и сперматозоидах – прародителях всех остальных клеток организма работает теломераза, наращивая исчезающие концы хромосомы за счет добавления новых теломер. Теломераза включает в себя молекулу РНК, которая используется в качестве шаблона для копирования теломер.
Активная теломераза нужна и раковым клеткам.
