В любом организме синтезируются тысячи разных белков. Необходимая для этого генетическая информация представлена в молекулах ДНК в виде множества генов.
Понятие «ген» является одним из наиболее важных, но вместе с тем и наиболее сложных понятий в биологии. В весьма упрощенной формулировке, ген — это участок молекулы ДНК, содержащий генетическую информацию о неком белке.
Для того, чтобы информация, содержащаяся в конкретном гене, определяла аминокислотную последовательность соответствующего белка, в организмах осуществляется специальный процесс, получивший название реализация генетической информации. Он состоит из нескольких этапов.
1. Транскрипция.
На этапе транскрипции происходит считывание информации, хранящейся в гене.
Транскрипция – это очень сложный процесс. Как известно, подавляющее большинство химических реакций, необходимых организму для поддержания своей жизнедеятельности, осуществляется не самопроизвольно, а под действием ферментов. Это правило полностью справедливо и в отношении транскрипции: она возможна только в присутствии специального фермента, получившего название РНК-полимераза.
Чтобы приступить к транскрипции определенного гена, РНК-полимераза должна к нему присоединиться. Для этого в гене имеется особый участок (промотор), нуклеотидная последовательность которого специфически узнается РНК-полимеразой и служит ей в качестве своеобразной «посадочной площадки». Если структуру промотора существенно изменить, ген не будет распознан РНК-полимеразой, и содержащаяся в нем информация останется несчитанной.
Связавшись с промотором, РНК-полимераза начинает постепенно перемещаться по молекуле ДНК к той части гена, которая содержит наследственную информацию. Направление этого перемещения задано промотором (если перевернуть промотор на 180°, РНК-полимераза «пойдет» в противоположную сторону). Таким образом, промотор является молекулярным сигналом, определяющим начало и направление транскрипции гена.
|
|
По мере своего продвижения по гену РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя комплементарными цепочками ДНК. В месте локального разрыва водородных связей комплементарные цепочки отходят друг от друга, а одна из них используется для синтеза молекулы РНК. Выбор используемой цепочки далеко не случаен. Дело в том, что в составе практически каждого гена лишь одна из цепочек несет генетическую информацию, а вторая выполняет сугубо вспомогательную функцию: участвует в процессе удвоения молекулы ДНК. РНК-полимераза распознает не весь промотор, а только вполне определенную нуклеотидную последовательность, находящуюся именно в «нужной» из двух цепей ДНК. Именно этим обусловлен выбор кодирующей цепочки. Для разных генов в одной и той же молекуле ДНК кодирующие цепочки могут быть разными.
Синтез РНК основан на принципе комплементарности. Единственное существенное отличие от удвоения ДНК заключается в том, что в составе рибонуклеотидов (нуклеотидов, используемых в качестве мономеров РНК) вместо тимина присутствует урацил (сокращенно — U). Обратите внимание: молекула и РНК своей нуклеотидной последовательностью очень похожа на некодирующую цепочку ДНК. Поэтому последовательность нуклеотидов каждого гена принято записывать по его некодирующей цепи.
|
|
В соответствии с принципом комплементарности в образующейся молекуле РНК содержится та же информация, что и непосредственно в гене. Именно в виде такой одноцепочечной молекулы (ее называют информационной РНК) генетическая информация пригодна к дальнейшему использованию.
Пройдя через всю кодирующую область гена, РНК-полимераза достигает специального участка, который является еще одним важным молекулярным сигналом. На этом участке (его называют терминатором) фермент прекращает синтезировать РНК и отделяется от гена. Тем самым транскрипция гена оказывается завершенной. В дальнейшем освободившаяся РНК-полимераза способна вступать во взаимодействие с другими промоторами, обеспечивая транскрипцию множества разных генов.
Итак, в гене имеются специальные участки, служащие сигналами для начала и окончания транскрипции — соответственно промотор и терминатор. Между ними находится кодирующая область, которая непосредственно содержит генетическую информацию.
2. Трансляция.
В ходе трансляции считанная с гена молекула и РНК используется в качестве матрицы для синтеза белка. Этот процесс обеспечивают специальные ферменты, организованные в сложные комплексы — рибосомы.
Рибосома способна распознавать нуклеотидные последовательности, характерные для одного из концов молекулы иРНК. Используя эти последовательности как «посадочную площадку», рибосома присоединяется к молекуле иРНК, а затем начинает перемещаться к противоположному концу. Достигнув участка, который содержит генетическую информацию, рибосома приступает к синтезу соответствующего белка.
|
|
В белках используются 20 вариантов аминокислот. Между тем в состав любой молекулы и РНК входит всего 4 варианта нуклеотидов. Совершенно очевидно, что один нуклеотид не может кодировать одну аминокислоту. То же самое справедливо и для двух соседних нуклеотидов (возможно лишь 16 вариантов подобных пар). В результате соблюдается следующая общая закономерность: одна аминокислота в молекуле белка кодируется тремя соседними нуклеотидами в и РНК. Подобные тройки нуклеотидов называют триплетами. Существует 64 варианта триплетов, что с избытком достаточно для кодирования 20 аминокислот.
Соседние триплеты не перекрываются друг с другом. В связи с этим кодирующую область молекулы и РНК можно представить в виде определенной последовательности триплетов. Рибосома постепенно сканирует данную последовательность и в соответствии с ней синтезирует надлежащий белок.
Особого внимания заслуживает тот факт, что триплеты не способны к комплементарному взаимодействию с аминокислотами, поэтому центральную роль в биосинтезе белка играют специальные молекулы-посредники (этими посредниками являются особые РНК). В каждой из них наиболее важными компонентами являются определенный триплет нуклеотидов и соответствующая данному триплету аминокислота. С помощью своего триплета молекула-посредник распознает комплементарный триплет в составе иРНК и вступает с ним в строго специфичное кратковременное взаимодействие. В результате присоединенная к посреднику аминокислота оказывается именно в нужном положении по отношению к последовательности триплетов в иРНК. Аналогично действуют и другие варианты посредников, обеспечивая необходимую «расстановку» аминокислот. Рибосома отслеживает правильность этой расстановки и ковалентно соединяет аминокислоты в единую цепочку. Тем самым достигается строгое соответствие между последовательностью триплетов в молекуле иРНК и аминокислотной последовательностью синтезируемого белка.
а — к двум первым триплетам и РНК подошли два посредника с соответствующими аминокислотами; б — рибосома соединила две аминокислоты (между ними образовалась пептидная связь) и перенесла их на посредник 2; в — рибосома выбросила использованный посредник 1 и переместилась по иРНК на один триплет. К третьему триплету подошел очередной посредник с соответствующей аминокислотой; г — рибосома перенесла две первые аминокислоты на третью, затем снова переместится на один триплет, присоединит очередной посредник и т.д.
Пройдя через всю кодирующую область иРНК, рибосома достигает специального молекулярного сигнала, обозначающего точку прекращения трансляции. Это может быть любой из трех бессмысленных триплетов: UAA, UAG или UGA. Здесь рибосома отделяется от иРНК, после чего, оказавшись в свободном состоянии, готова приступить к трансляции новой матрицы.
Итак, в процессе реализации генетической информации участвуют три типа биоорганических полимеров: это молекулы ДНК, РНК и белков. Их биосинтез осуществляется по матричному принципу. Это значит, что последовательность мономеров в одном полимере служит образцом (или матрицей) при синтезе другого. Действительно, нуклеотидная последовательность конкретного гена используется в качестве матрицы для молекулы иРНК. В свою очередь, нуклеотидная последовательность данной молекулы представляет собой матрицу для соответствующего белка.
В конечном итоге соблюдается общая закономерность: аминокислотная последовательность конкретного белка определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего гена, поэтому все без исключения особенности организма, в формирование которых вовлечены молекулы белков, неизбежно находятся под генетическим контролем.