Аминокислотный состав белков

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Все аминокислоты содержат: 1) карбоксильную группу (–СООН), 2) аминогруппу (–NH₂), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.

Существует несколько классификаций белков. В основе их лежат разные принципы: по степени сложности (простые и сложные)(По этому принципу белки делят на протеины (простые белки), состоящие только из остатков аминокислот, и протеиды (сложные белки например: нуклеопротеиды — кроме белка включают нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты относятся к важнейшим биополимерам, которым принадлежит огромная роль в наследственности; липопротеиды — содержат кроме белка липиды. Содержатся в протоплазме и мембранах. Принимают участие в формировании клейковинных белков; фосфопротеиды — кроме белка присутствует фосфорная кислота. Им принадлежит важная роль в питании молодого организма. Пример: казеин — белок молока.), состоящие из белковой (апобелок) и небелковой частей (простетическая группа).); по форме молекул (глобулярные и фибриллярные белки); по растворимости в отдельных растворителях (водорастворимые, растворимые в слабых солевых растворах — альбумины, спирторастворимые — проламины, растворимые в щелочах — глютелины), по выполняемым ими функциям, например запасные белки, скелетные и т. д.

Функции белков

Функция	Примеры и пояснения
Строительная	Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
Транспортная	Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная	Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная	В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная	Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных.
Сигнальная	В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
Запасающая	В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.
Энергетическая	При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая	Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО₂ при фотосинтезе.

8) Пространственная организация белковых молекул

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.

Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 10²⁰. Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов — поверхностных белков нервных клеток.

9) Нуклеиновые кислоты — фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Они были открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, сперматозоидов лосося. Впоследствии нуклеиновые кислоты обнаружили во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.

Виды

В природе существует два вида нуклеиновых кислот — дезок-сирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пяти-углеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК— рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме.

Функции:

Хранение наследственной информации
Воспроизведение наследственной информации
Передача наследственной информации

10) Нуклеотиды — структурные компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Нуклеотиды —сложные вещества. В состав каждого нуклео-тида входит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3'-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой — 3'-углеродом (3'-концом).Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

11) Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер(полианион), мономером которого является нуклеотид^[5]^[6].

Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединённого по 5'-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза)^[7]. Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат — где основание, присоединённое к фосфату и рибозе, это аденин, показан на рисунке.

Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом^[8].

В виде исключения, например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК^[9].

12) Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК, подвергаются распаду на регулярно повторяющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования выделяют фракцию частиц со скоростью седиментации 11S. Частицы 11S содержат ДНК около 200 нуклеотидных пар и восемь гистонов. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название Нуклеосомы. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располагается ДНК. ДНК образуют участок, с белками сердцевины не связанный, — Линкер, Который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Они образуют «бусины», глобулярные образования около 10 нм, сидящие друг за другом на вытянутых молекулах ДНК. Второй уровень компактизации—30 нм фибрилла. П Ервый, нуклеосомный, уровень компактизации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6—7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25—30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали приходится 6—7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фибрилла спирального типа с центральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера — Нуклеомеров. Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компактизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков. Петлевые домены ДНК —третий уровень структурной организации хроматина. В высших уровнях организации хроматина специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которая в местах связывания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих петель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний размер розеток достигает 100—150 нм. Розетки фибрилл хроматина— Хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромомеры связаны друг с другом участками нуклеосомного хроматина. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функциональные единицы хромосом — репликоны и транскрибируемые гены.

13) Репликация (позднелат. replicatio — повторение, от лат. replico — обращаюсь назад, повторяю), редупликация, ауторепродукция, аутосинтез, протекающий во всех жъ\ивых клетках процесс самовоспроизведения (самокопирования) нуклеиновых кислот, генов, хромосом.

Репликация ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза.

В основе механизма репликация лежит ферментативный синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновых кислот (РНК), осуществляемый по матричному принципу.

14) Реплика́ция ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков, называемый реплисомой (англ. replisome)^[1].

Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

1. инициация репликации

2. элонгация

3. терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий, как правило, представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта инициации репликации. Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий^[1].

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окруженный более протяженными участками нереплицированной ДНК^[1].

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500—5000 — у эукариот^[3].

15) Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

1. инициация репликации

2. элонгация

3. терминация репликации.

16) Как уже отмечалось, в процессе репликации ДНК участвует сложный ферментный комплекс, включающий, по некоторым оценкам, 15-20 белков.

Но функция и механизм действия пока выявлены не для всех этих белков, поэтому в нижеследующем описании фигурирует «лишь» 12 наименований.

Для удобства изложения разделим перечисляемые белки на 3 группы

Рис. 1.11. Компоненты ДНК-реплицирующего комплекса V — узнающий белок, Г — геликзза, И — топоизомераза, S — SSB-белок, IT — праймаээ. АП — активатор прайм азы,«, £ и 8— «*-,?- ий-ДНК-по- пимеразы, Р — PCNA-белок, Н — нуклеаза, Л — ДНК-лигаза

17)

А) Рибонуклеиновые кислоты представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Последовательность нуклеотидов,т.е. первичная структура, различных РНК, содержащихся в клетке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК -матрице. РНК имеют также вторичную и третичную структуры.

В зависимости от функций и местонахождения в клетке РНК делят на три основных типа: рибосомные (рРНК), информационные, или матричные (иРНК, или мРНК) и транспортные (тРНК).

Б) М а т р и ч н ы е РНК (мРНК) составляют около 5% общей массы рибонуклеиновых кислот клетки. Их молекулярная масса колеблется в пределах 300 тыс - 2млн. Функция мРНКзаключается в переносе генетической информации, записанной в ДНК, на синтезируемый белок.

18) СИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК) 2.6.1. Общая характеристика транскрипции

В отличие от репликации ДНК, тесно связанной с клеточ ным делением (п. 1.2.1), транскрипция ДНК происходит прак тически но всех ядросодержащнх клетках как делящихся, так и неделящихся.

Причем в делящихся клетках она совершается в любой мо мент митотического цикла, кроме периода реплнкацнн (у эука Рнот) и собственно деления. У прокариот, видимо, нет н этого ограничения: клеточный цикл бывает столь коротким

(20-40 мин), что репликация и транскрипция происходят одно временно, только на разных участках молекулы ДНК (которая У бактерий является кольцевой).

Более того, транскрипция какого-либо участка ДНК может совершаться не только почти в любой момент цикла, ио и много кратно — сколь угодное число раз. С другой стороны, набор транскрибируемых в клетке участков под действием тех или иНых факторов нередко меняется. Ферментативное обеспечение процесса осуществляется РНК-полимеразой. У эукариот — трн вида этого фермента:

РНК-полнмераза I — для синтеза жре-рРНК,

РНК-полнмераза II — для синтеза пре-мРНК и

РНК-полимераза III — для синтеза пре-тРНК.

Фермент ползет вдоль ДНК и катализирует поочередное включение в растущую цепь рнбонуклеотидов, комплементар ных нуклеотидам матричной цепи ДНК (п. 2.2.2.1).

Субстратами синтеза РНК являются рибоиуклеозндтрн- фосфаты (рНТФ); как и при синтезе ДНК (п. 1.2.2.1), в ходе включения в строящуюся цепь онн теряют пнрофосфатные ос татки:

свободные w остатки рНМФ пиро

рНТФ в строящейся цепи РНК фосфат

Это обеспечивает процесс энергией, так что дополнитель ных ее источников не требуется.

Еще одно сходство с синтезом ДНК состоит в направлении роста строящейся цепи — 5’—»3". Это значит, что у этой цепн оче редные нуклеотиды присоединяются к 3'-концу.

Как прн всех матричных синтезах, строящаяся цепь антипа раллельна матричной цепи ДНК (см. рис. 2.6). Следовательно, по следняя транскрибируется ферментом в направлении 3'—*5'.

Но имеются и принципиальные отличия от синтеза ДНК.

а) Асимметричность процесса: в качестве матрицы, как мы знаем, используется лишь одна цепь ДНК. Не совсем ясно, как ферментная система осуществляет правильный выбор нужной це пи. Видимо, ключевую роль тут играют какие-то последователь ности нуклеотидов на одной из цепей, узнаваемые системой.

б) Консервативность процесса: молекула ДНК по оконча нии синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При син тезе же ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает ре пликацию полу консервативной.

в) Наконец, синтез РНК ие требует для своего начала ника кой затравки, тогда как прн репликации ДНК необходима РНК затравка.

19) Механизм транскрипции

2.6.2.1. Инициация транскрипции

Первый и, пожалуй, важнейший этап транскрипции — это ее инициация: связывание РНК полимеразы с промотором и об разоввние первой межнуклеотндной связи.

О связывании РНК-полимеразы мы говорили уже не раз. поэтому сейчас лишь напомним основные моменты (с добавле нием некоторых сведений).

У бактериИ РНК-полимераза непосредственно узнает опре-.«•’.«енную последовательность нуклеотидных пар в составе про мотора - например, бокс Прибнова (п. 2.2.1.2). В этом узнава нии участвует специальный белок — т. и. с-фактор (п. 2.3.1.2). Затем к нему присоединяется РНК-полнмераза, представляю щая собой тетрамер из субъеднннц трех видов: а, р н р' (рис. 2.27). В некоторых оперонах, например в лактозном (п. 2.3.2.1), необходимо еще предварительное взаимодействие К промотором дополнительного белка (САР).

У эукариот всегда требуется предварительное связывание ■ промотором целой совокупности бечков - общих факторов транскрипции, с образованием комплекса TFIID (п. 2.4.2.2). Кроме того, инициация транскрипции гена зависит от прочих транскрипционных факторов, взаимодействующих с энхангера- мн этого гена (п. 2.2.1.2).

Связавшись с промотором, РНК-полнмераза вызывает ло кальную денатурацию ДНК, т. е. разделение цепей ДНК на про тяжени

тем самым синтез предшественников матричных РНК (на стадии элонгации).

Актиномицин D — антибиотик; точнее, это производное естественного антибиотика из Streptomyces. Он содержит два идентичных циклических пентапептида, соединенных с гетеро циклической системой.

Актиномицин прочно связывается с ГЦ-богатыми участка ми ДНК. Это блокирует продвижение РНК-полимеразы — из-за невозможности локального расплетения цепей.

Особенно чувствителен к данному ингибитору синтез пред шественников рибосомальиых РНК, поскольку нх гены особен но обогащены ГЦ-парами (п. 2А.1.2).

20) Продукты транскрипции

Как мы уже не раз подчеркивали, в результате транскрип ции у эукариот (в отлнчне от прокариот) образуются лишь пред шественники тех или иных РНК — мРНК, рРНК и тРНК.

Зная структуру зрелых цепей РНК каждого вида (раздел 2.5), сравним с ней строение соответствующих пра-РНК.

а) Пре-мРНК (рис. 2.29, А). Эти цепи обычно в несколько раз длиннее, чем зрелые мРНК.

Действительно, онн, во-первых, включают трвнскрипты спенсеров (ирадставляющих собой регуляторные участки, отде лы со структурной ролью н т. д.; п. 2.2.1.2). Во-вторых, коди рующая часть пре-мРНК, как н в исходном гене, прерывается нитронами. При этом ннтронные последовательности нередко образуют «шпнлькн».

Примечательно, что длина пре-мРНК не только гораздо больше, чем у мРНК, но н значительно сильней варьирует у раз ных молекул — от 2 тыс. до 20 тыс. нуклеотидов. Поэтому дан ный вид РНК часто называют гетерогенной ядерной РИь (гяРНК).

Другая особенность пре-мРНК отсутствие на 5'-конпе «колпачка» (кэпа), а на 3"-конце — полн(А)-фрагмента. В большинстве случаев пре-мРНК эукариот несут информацию о синтезе лишь одной пептидной цепи, т. е. дают прн созревании только одну молекулу мРНК.

Средн исключений из этого правила — гистоновая пре-мРНК. Как указывалось в п. 2.4.1.1, кластер гистоно- вых генов транскрибируется как единое целое, а прн созре- ваннн пре-мРНК нз послед ней «нарезаются* 5 разных гистоновых мРНК.

Наличие подобных ис- j ключений — еще одно отли- | чне пре-мРНК от мРНК: все I зрелые мРНК эукарнот,

1 без какнх-лнбо исключений, являются моноцнстроннымн (п. 2.5.2).

б) Пре-рРНК (рис. 2.29, В). Кластер трех генов рРНК тоже тРанскрнбнруется как единое целое (п. 2.4.2.2). Образующаяся нрв-рРНК, или 45S-PHK, содержит последовательности сразу тРех зрелых рРНК - 18S-. 5.8S— н 28S-pPHK.

Эти последовательности разделены спейсерами, но не со держат нитронов. Кроме того, в них нет модифицированных ну Кле°тидов, содержащихся в зрелых рРНК.

в) Пре-тРНК (рис. 2.29, В). В отлнчне от пре-рРНК, все пре-тРНК (за единичным исключением у бактерий) содержат последовательности лишь одной тРНК.

Прн этом уже на уровне пре-тРНК образуется типичнаа структура «кленового листа*. Однако последняя еще отличает ся от окончательной: в ней

имеется ряд дополнительных последовательностей (с об еих концов и в середине молекулы),

отсутствуют минорные нуклеотиды.

не сформирована типичная последовательность акцеп торной петли (ЦЦА),

антикодон не занимает своего ♦правильного* положения.

Из всего вышесказанного ясно, что непосрадственные про дукты транскрипции действительно (как н утверждалось в п. 2.1) должны подвергаться определенным (н существенным) нзмененням для того, чтобы превратиться в функционально ак тивные цепн РНК.

21) Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) — совокупность процессов в клеткахэукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта РНК в зрелую РНК.

Наиболее известен процессинг матричных РНК, которые во время своего синтеза подвергаются модификациям: кэпированию, сплайсингу и полиаденилированию.

Кэпирование

Основная статья: 5'-кэп

Химическая структура кэпа

При кэпировании происходит присоединение к 5'-концу транскрипта 7-метилгуанозина посредством трифосфатного моста, соединяющего их в необычной позиции 5'-5', а такжеметилирование рибоз двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования происходит во время транскрипции молекулы пре-мРНК. Кэпирование защищает 5'-конец первичного транскрипта мРНК от действия рибонуклеаз, специфически разрезающихфосфодиэфирные связи в направлении 5’→3'.^[1]^:221

Функции кэпа и связанных с ним белков:

экспорт мРНК из ядра;

защита 5'-конца транскрипта от экзонуклеаз;

участие в инициации трансляции;

участие в полиаденилировании.

Полиаденилирование

Фермент поли(А)-полимераза присоединяет 3'-концутранскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Полиаденилирование осуществляется при наличии сигнальной последовательности 5'- AAUAAA-3' на 3'-конце транскрипта, за которой следует 5'-CA-3'. Вторая последовательность является сайтом разрезания.^[1]^:225

Сплайсинг

Основная статья: Сплайсинг

После полиаденилирования мРНК подвергается сплайсингу, в ходе процессе которого удаляются интроны (участки, которые не кодируют белки), а экзоны (участки, кодирующие белки) сшиваются и образуют единую молекулу ^[2]. Сплайсинг катализируется крупным нуклеопротеидным комплексом —сплайсосомой, состоящей из белков и малых ядерных РНК. Многие пре-мРНК могут быть подвергнуты сплайсингу разными путями, при этом образуются разные зрелые мРНК, кодирующие разные последовательности аминокислот (альтернативный сплайсинг).

22) СОЗРЕВАНИЕ (ПРОЦЕССИНГ) РНК

Практически все процессы созревания РНК могут быть по дразделены на трн типа:

2.6.2.2. удаление одних,

2.6.2.3. присоединение других н

модификация тех же или третьих нуклеотидов.

2.7.1. Удаление «лишних» последовательностей

2.7.1.1. Общее описание

Удаление «лишних* нуклеотидов осуществляется спе цнальными нуклеазамн. Экзонуклеазы последовательно отще- плнют с определенного конца цепн (3’ нлн 5') по одному нуклео тиду. А эндонуклеазы разрезают цепь где-то в средних участ ках, приводя к ее фрагментации.

Перечислим процессы созревания, идущие с участием ну- кле

пре-рРНК — тоже метили рование рибозных остатков, но содержащие их нуклеотиды рас положены по всей длине цепи — с частотой примерно 1 %.

Гораздо более многообразны процессы модификации в слу чае пре-тРНК. Например, определенные остатки уридииа под вергаются восстановлению (с образованием днгидроуридина), другие — изомеризации (что дает псевдоуриднн), третьи ме тилированию (метилуриднн). Некоторые остатки аденозина де заминируются (превращаясь в инозин), причем часть из продук тов затем еще метилируется (образуя метнлннозин). И так да- лее: список происходящих модификаций в пре-тРНК можио продолжить.

Все вышеперечисленные события и приводят в конце кон цов к образованию в ядре зрелых молекул РНК:

а) 4 видов рРНК: 28S-, 18S-, 5.8S- и 5S-PHK;

б) нескольких десятков видов тРНК — по 1-3 (или даже больше) для каждой из 20 аминокислот;

в) тысяч различных мРНК - копий генов, функционирую щих в данных клетках.

рРНК и мРНК тут же, в ядре, связываются с белками.

Ри этом рРНК формируют с рибосомными белками большие и малые субъединицы рибосом, которые затем выходят в цито плазму. А мРНК связываются с другими белками (выполняю щими. видимо, защитную и транспортную функции) и в ком плексе с ними тоже перемещаются в цитоплазму.

В процессе всех этих преобразований существенно меняют ся седиментационные свойства Как видно, в результате удаления «лишних* нуклеотидов цепь пре-мРНК укорачивается примерно на 87 % (т. е. остается лишь 13 % от исходной длины). Затем присоединяются пример но 230 адениловых нуклеотидов, отчего коэффициент седимен тации несколько увеличивается. И, наконец, на последней ста дии он возрастает гораздо сильней — в результате связывания с мРНК трех белковых молекул. В итоге образуется мРНП — м- рнбонуклеопротеид, т. е. комплекс мРНК с белками.

23) Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).

Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Первый из них протекает в ядре; он заключается в синтезе молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в белке: этот этап протекает при участии транспортной РНК (т-РНК) и соответствующих ферментов.

1. Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся геноввирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

4. Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты —цистеин и селеноцистеин)^[1]

5. Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).

7. Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

24) Процесс синтеза белка складывается из двух основных этапов: транскрипции и трансляции.
Первичная структура каждого белка (т. е. последовательность расположения в нем аминокислот), от которой зависит его специфичность, запрограммирована в соответствующем гене в виде последовательности расположения в нем кодонов. Перенос этой информации о структуре белка к рибосомам происходит с помощью мРНК. Процесс синтеза мРНК на генах и получил название транскрипции, или переписывания информации с ДНК-гена на мРНК-ген.

Транскрипция осуществляется с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Этот фермент представляет собой сложный белковый комплекс с м. м. около 480 кД. У бактерий он состоит по крайней мере из пяти белковых субъединиц. Комплекс субъединиц, хотя и обладает каталитической активностью, однако не может правильно выбирать точку начала транскрипции. Присоединение к этому комплексу ст-субъединицы превращает его в полноценный фермент РНК-полимеразу (холоэнзим). Сигма-субъединица РНК-полимеразы выполняет две основные функции: во-первых, она завершает формирование полноценной РНК-полимеразы, во-вторых, она наделяет ее способностью распознавать промотор на ДНК, с которого начинается транскрипция.

Сигма-фактор освобождается от комплекса холоэнзим-ДНК немедленно после начала синтеза мРНК и может повторно использоваться для образования холоэнзима. Транскрипция является сложным многоступенчатым процессом, который включает в себя следующие основные стадии.

1. Инициация транскрипции, во время которой:

а) core-энзим взаимодействует с ст-фактором, образуя холоэнзим РНК-полимеразы;

б) РНК-полимераза связывается с промотором на ДНК и образует транскрипционный комплекс (ДНК-холоэнзим);

в) начинается синтез мРНК и высвобождается ст-фактор.

2. Собственно транскрипция (элонгация, или удлинение цепи мРНК).

3. Терминация транскрипции, сопровождающаяся диссоциацией транскрипционного комплекса и высвобождением core-энзима.

25) В синтезе белка участвуют активированные аминокислоты в виде аминоацил т_РНК. На активацию каждой аминокислоты расходуются две макроэргические связи АТФ.

В цитозоли клеток 20 различных аминокислот, которые присоединяются α-карбоксильной к 3^/-гидроксильному акцепторному концу соответствующей т-РНК с образование сложной эфирной связи.

Эти реакции катализируют семейство ферментов, носящее название аминоацил-т-РНК-синтетаз. Каждый фермент из этого семейства узнаёт только одну определённую аминокислоту и только те транспортные РНК, которые способны связываться с этой кислотой. Из этого можно сделать вывод, что в группу т-РНК синтетаз входит 20 различных ферментов. Суммарную реакцию, катализируемую аминоацил-т-РНК синтетазоами в присутствии ионов Mg²⁺ можно представить следующим образом:

АК + т-РНК + АТФ → аминоацил-т-РНК +АМФ + РР_i

26) Фолдинг – это процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру. Для обеспечения фолдинга используется группа вспомогательных белков под названием шапероны (chaperon, франц. – спутник). Они предотвращают взаимодействие новосинтезированных белков друг с другом, изолируют гидрофобные участки белков от цитоплазмы, способствуют переходу вторичной структуры в третичную. При нарушении функции шаперонов и отсутствии фолдинга в клетке формируются белковые отложения – развивается амилоидоз. Насчитывают около 15 вариантов амилоидоза.

27) Роль шаперонов в фолдинге белков
При синтезе белков N-концевая область полипептида синтезируется раньше, чем С-концевая область. Для формирования конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов (особенно гидрофобных) осуществляют Ш-70.

Ш-70 – высококонсервативный класс белков, который присутствует во всех отделах клетки: цитоплазме, ядре, митохондриях.

Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию (например, доменное строение), осуществляется в специальном пространстве, сформированном Ш-60. Ш-60 функционируют в виде олигомерного комплекса, состоящего из 14 субъединиц.

Шапероновый комплекс имеет высокое сродство к белкам, на поверхности которых есть элементы, характерные для несвёрнутых молекул (прежде всего участки, обогащённые гидрофобными радикалами). Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60. В специфической среде этой полости, в изоляции от других молекул клетки происходит выбор возможных конформаций белка, пока не будет найдена единственная, энергетически наиболее выгодная конформация.

Высвобождение белка со сформированной нативной конформацией сопровождается гидролизом АТФ в экваториальном домене. Если белок не приобрёл нативной конформации, то он вступает в повторную связь с шапероновым комплексом. Такой шаперонзависимый фолдинг белков требует затрат большего количества энергии.

Таким образом, синтез и фолдинг белков протекает при участии разных групп шаперонов, препятствующих нежелательным взаимодействиям белков с другими молекулами клетки и сопровождающих их до окончательного формирования нативной структуры.

28)

А)Исследования на клетках Е. coli позволили установить, что у бактерий существуют ферменты 3 типов:

· конститутивные, присутствующие в клетках в постоянных количествах независимо от метаболического состояния организма (например, ферменты гликолиза);

· индуцируемые, их концентрация в обычных условиях мала, но может возрастать в 100Q раз и более, если, например, в среду культивирования клеток добавить субстрат такого фермента;

· репрессируемые, т.е. ферменты метаболических путей, синтез которых прекращается при добавлении в среду выращивания конечного продукта этих путей.

Теория оперона

На основании генетических исследований индукции β-галактозидазы, участвующей в клетках Е. coli, в гидролитическом расщеплении лактозы (рис. 4-46), Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1961 г. сформулировали гипотезу оперона, которая объясняла механизм контроля синтеза белков у прокариотов. В экспериментах гипотеза оперона получила полное подтверждение, а предложенный в ней тип регуляции стали называть контролем синтеза белка на уровне транскрипции, так как в этом случае изменение скорости синтеза белков осуществляется за счёт изменения скорости транскрипции генов, т.е. на стадии образования мРНК.

Б) Теория оперона была предложена на основании данных, полученных при изучении свойств лактозного оперона (laс -оперона) Е. coli, т.е. оперона, в котором закодированы белки, участвующие в усвоении лактозы.

Клетки Е. coli обычно растут на среде, используя в качестве источника углерода глюкозу. Если в среде культивирования глюкозу заменить на дисахарид лактозу, то по прошествии нескольких минут клетки адаптируются к изменившимся условиям. Они начинают продуцировать 3 белка, обеспечивающих утилизацию лактозы. Один из этих белков - фермент β-галактозидаза, катализирующий гидролитическое В присутствии глюкозы клетки Е. coli содержат менее 10 молекул этих ферментов на клетку. Перенос клеток на среду, содержащую лактозу, вызывает индукцию - увеличение количества молекул каждого из ферментов до 5000 (рис. 4-47).

Теория оперона объясняет это явление следующим образом. В отсутствие индуктора (лактозы) белок-репрессор связан с оператором. А поскольку участки оператора и промотора перекрываются, то присоединение репрессора к оператору препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором, и транскрипция структурных генов оперона не идёт. Когда в среде появляется индуктор, т.е. лактоза, то он присоединяется к белку-репрессору, изменяет его конформацию и снижает сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены.

Снижение концентрации фермента в бактериальной клетке может осуществляться путём репрессии синтеза ферментов. Сущность этого механизма регуляции заключается в следующем: когда клетки Е. coli растут на среде, содержащей в качестве единственного источника азота соль аммония, то им приходится синтезировать все азотсодержащие вещества. Такие клетки, в частности, должны содержать все ферменты, необходимые для синтеза 20 различных аминокислот. Однако если добавить в среду культивирования одну из аминокислот, например триптофан или гистидин, то клетка перестанет вырабатывать весь набор ферментов, необходимых для синтеза этих аминокислот из аммиака и источника углерода. Репрессия синтеза ферментов, катализирующих последовательность реакции метаболического пути конечным продуктом, как это имеет место в случае ферментов синтеза гастидина или триптофана, называется репрессией конечным продуктом.

В) Эукариотические организмы (и особенно млекопитающие) устроены значительно сложнее прокариотов и нуждаются в более сложном Механизм индукции лактозного оперона. А - в отсутствие индуктора (лактозы) белок-репрессор связан с оператором. РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, транскрипция структурных генов оперона не идёт; Б - в присутствии лактозы белок-репрессор присоединяет её, изменяет свою конформацию и теряет сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены: β-галактозидазы (А), катализирующей гидролиз лактозы до глюкозы и галактозы; галактозидпермеазы (В), осуществляющей транспорт лактозы и других галактозидов в клетки; тиогалакто-зидтрансацетилазы (С) - фермента, способного переносить ацетильную группу ацетил-КоА на тиогалактозу. Функция его в процессе утилизации лактозы пока неясна. Механизм репрессии синтеза ферментов, участвующих в образовании гистидина. А - в отсутствие корепрессора (гистидина) белок-репрессор не имеет сродства к оператору, РНК-полимераза присоединяется к промотору, и происходит транскрипция 10 структурных генов, кодирующих строение ферментов, участвующих в синтезе гистидина; Б - в присутствии гистидина в среде комплекс белка-репрессора с корепрессором, т.е. Гис, связывается с оператором, препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору и останавливает транскрипцию. аппарате регуляции. Так, в организме человека имеется более 200 различных типов клеток, существенно различающихся по структуре и функциям. В то же время различными методами исследования ДНК (прежде всего, методом молекулярной гибридизации) доказано, что количество и структура ДНК практически всех клеток организма одинаковы (за исключением лимфоцитов), т.е. все клетки организма содержат один и тот же геном. У высших организмов по сравнению с прокариотическими существенно возрастает содержание ДНК на гаплоидную клетку: с 4,2×10⁶ пар нуклеотидов у Е. coli до 3,3×10⁹ пар нуклеотидов в клетках человека.

29) Регуляция транскрипции

Регуляция транскрипции генов высших организмов сходна с регуляцией экспрессии генов прокариотов. Основное различие состоит в значительно большем количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс.

У животных и человека различные гены экспрессируются в разные моменты времени и с разной интенсивностью. Здесь, так же, как у прокариотов, есть гены "домашнего хозяйства", транскрибирующиеся конститутивно, т.е. постоянно и во всех тканях. Это гены гликолиза, синтеза РНК и некоторых белков (например, альбумина). Существуют гены, транскрибирующиеся только в специализированных клетках, т.е. имеет место тка-неспецифическая экспрессия. Например, экспрессия генов α- и β-цепей глобина происходит только в клетках-предшественниках эритроцитов. Многие гены подвергаются адаптивной регуляции и являются объектами индуцибельных воздействий или негативного контроля.

Ранее уже говорилось о том, что минимальный синтез любого белка поддерживается в том случае, если к ТАТА-участку промотора присоединяется ТАТА-связывающий белок, факторы транскрипции и РНК-полимераза, образующие инициирующий комплекс, осуществляющий синтез небольшого количества мРНК. Формирование комплекса - многоступенчатый процесс, от образования которого зависит скорость инициации транскрипции. Идентифицировано более 100 различных белков, способных взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК, влияя главным образом на процесс сборки транскрипционного комплекса и скорость транскрипции (рис. 4-50).

Эти белки имеют один или несколько доменов, обеспечивающих выполнение регуляторных функций.

· ДНК-связывающие домены, ответственные за узнавание и связывание регуляторных факторов со специфическими участками на молекуле ДНК;

· Домены, активирующие транскрипцию за счёт связывания с белками основного инициаторного комплекса: транскрипционными факторами, коактиваторами и РНК-поли-меразой;

· Антирепрессорные домены, благодаря которым белки способны взаимодействовать с гис-тонами нуклеосом и освобождать транскрибируемые участки ДНК от связи с этими ингибиторными структурами; Домены, связывающие лиганды, присоединение которых к белку изменяет его конформацию и обеспечивает связывание с молекулой ДНК. Лигандь1-индукторы транскрипции - стероидные гормоны, ретиноевая кислота, каль-цитриол (производное витамина D₃) и гормоны

Адаптивная регуляция транскрипции у эукариотов. Промоторы эукариотических генов находятся под контролем большого числа регуляторных участков на молекуле ДНК: TATA-, CAAT-, GC-последовательностей, энхансеров, сайленсеров-последовательностей, к которым присоединяются комплексы белков с различными лигандами (цАМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов и т.д.).

щитовидной железы. Лигандами-репрессорами могут быть конечные продукты метаболических путей, некоторые гормоны. Будучи липофильньши молекулами, они проходят плазматическую, а иногда и ядерную мембраны, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами, присоединяясь к лиганд-связьгвающему участку (рис. 4-51). Присоединение лиганда к рецептору образует ДНК-связьшающий участок, узнающий специфическую последовательность в регуляторной зоне ДНК и индуцирующий транскрипцию определённых генов.

На молекуле ДНК на расстоянии 100-200 пар оснований от стартовой точки транскрипции имеются короткие специфические последовательности ДНК: СААТ - элемент (или бокс), CG-бокс и октамерный бокс (включающий 8 пар оснований), узнающие транскрипционные факторы. Эти элементы есть во всех клетках, и конститутивно экспрессируемые гены нуждаются только в них. В то же время для генов, подвергающихся адаптивной регуляции, обнаружены участки молекулы ДНК, которые удалены (до 1000 и более пар оснований) от промотора, но тоже участвующие в регуляции транскрипции. Эти нуклеотидные последовательности бывают 2 типов.

Энхансеры - участки ДНК размером 10-20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость транскрипции. Если участки ДНК, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции, то их называют сайленсерами.

Эти структурные элементы молекулы ДНК контролируют транскрипцию, даже если они:

ориентированы на молекуле ДНК в любом направлении (от 5'- к З'-концу или наоборот);

Действие лиганда-индуктора транскрипции на клетку млекопитающих. Лиганд-индуктор, например стероидный гормон, связывается с внутриклеточным рецептором, находящимся в ядре или цитоплазме, и поступает в ядро. Комплекс гормон-рецептор присоединяется к определённому участку на молекуле ДНК и активирует транскрипцию гена. Образуется мРНК - матрица для синтеза белка, обеспечивающего определённый клеточный ответ.

связываются с одним или несколькими регуляторными белками;

располагаются перед или после гена, экспрессию которого они регулируют.

Элементы ответа, или cis-элементы -регуляторные последовательности ДНК, общие для группы генов. Они обеспечивают координированную регуляцию транскрипции генов и, как правило, располагаются на расстоянии примерно в 250 пар оснований выше промотора каждого гена. В остальном эти нуклеотидные последовательности имеют много общего с энхансерами. В данном варианте регуляции один и тот же индуктор, связываясь с соответствующим регуляторным белком, может активировать много разных генов, так как каждый из них в регуляторной области содержит один и тот же cis-элемент. Один из белков-продуктов этой группы генов может оказаться индуктором другой группы генов. Конечный результат регуляции - серия ответных реакций за счёт активации различных генов одним индуктором (рис. 4-52).

К генам, регулируемым cis-элементами, относят гены, чувствительные к стероидным гормонам, гены белков теплового шока и многие другие. Например, при повышении температуры или после какого-либо другого клеточного стресса активируется синтез транскрипционного фактора, который индуцирует транскрипцию генов, кодирующих строение шаперонов.

Очевидно, что эффективность регуляции во многом зависит от структуры транскрипционных факторов и внутриклеточных рецепторов, непосредственно взаимодействующих с молекулой ДНК. Установлено, что большинство ДНК-связывающих белков принадлежит к трём семействам в зависимости от структуры домена, непосредственно взаимодействующего с двойной спиралью ДНК. Эти белки включают структуры типа "спираль-поворот-спираль", "цинковые пальцы" и "лейциновой молнии" (см. раздел 1). Как правило, эти структуры - небольшие фрагменты молекул белков, а сайт-специфическое связывание происходит за счёт взаимодействия между радикалами аминокислот

· Активация группы генов с помощью одного индуктора. Группа генов имеет общий регуляторный cis-элемент и активируется одним и тем же регуляторным белком. Один из белковых продуктов первой серии ответных реакций активирует вторую серию генов (* - cis-элементы к белку X; # - cis-элементы к белку С).

· этих участков и азотистыми основаниями молекулы ДНК.

·

30) В организме животных существенное значение в обеспечении разнообразия белков играет посттранскрипционный процессинг РНК. Основные способы такой регуляции - альтернативный сплайсинг и изменение стабильности РНК.

Альтернативный сплайсинг. Установлено, что многие эукариотические гены, будучи транскрибированы, образуют несколько вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга (или созревания) первичного транскрипта, имеющего полиэкзонное строение.

Возможные варианты сплайсинга РНК представлены на рис. 4-53.

Наиболее часто промотор сохраняется на одном из концов транскрипта, а в ходе сплайсинга происходит "вырезание" одного или нескольких экзонов. В других случаях в зрелой мРНК сохраняется часть интрона и включается в состав экзона с 5' или 3'-конца. Сплайсинг может влиять на выбор промотора или участка полиаденилирования.

С помощью альтернативного сплайсинга в процессе синтеза антител образуются мембра-носвязанные и секреторные формы антител (рис. 4-54). Так, первоначально В-лимфоциты продуцируют транскрипты, полиаденилированные после второго стоп-кодона, а интрон, в котором имеется первый стоп-кодон, удаляется. В результате синтезируются IgM, связанные с клеточной мембраной, так как мРНК таких клеток содержит на 3'-конце экзон, кодирующий участок полипептидной цепи, состоящий из гидрофобных аминокислот. С помощью этого участка происходит "заякоривание" IgM в мембране. Когда В-лимфоциты превращаются в плазматические клетки, то в

Часто встречающиеся варианты сплайсинга первичных транскриптов РНК. I. Вырезание одного из экзонов: а) синтез белка, содержащего полный набор экзонов (1-5); б) синтез белка, лишённого одного экзона (1, 2,4, 5); II. Сохранение участка интрона: а) с 5'-конца; б) с 3'-конца. III. Сохранение целого интрона. IV. Использование альтернативных промоторов (либо перед экзоном 1, либо перед экзоном 2). V. Использование альтернативных участков полиаденилирования (например, при последовательном сшивании экзонов после экзона 3, а если экзон 3 не прочитывается, то после экзона 4).

результате альтернативного сплайсинга образуется мРНК, в которой сохраняется интрон, содержащий первый стоп-кодон. Поэтому происходит более раннее полиаденилирование и исчезает экзон, кодирующий гидрофобный участок молекулы. Синтезируются укороченные молекулы антител, секретируемые в кровь.

"Редактирование" РНК. Описан ряд случаев, когда первичная структура мРНК изменяется ("редактируется") после транскрипции. Последовательность нуклеотидов в таких генах одинакова, а транскрибируемая в разных тканях мРНК различается в результате появления в молекуле замен, вставок или выпадений нуклеотидов. Пример "редактирования" РНК - образование апопротеина В (апо-В) в клетках печени и тонкого кишечника (рис. 4-55). Апо-В - основной компонент липопротеинов, участвующих в транспорте триацилглицеринов из этих тканей в кровь. Хотя апопротеин В кодируется одним и тем же геном, вариант белка, образующийся в печени, называют апо-В-100, и он содержит 4563 аминокислотных остатка, тогда как белок, синтезированный в клетках кишечника, состоит из 2152 аминокислот. В гене, кодирующем этот белок, последовательность нуклеотидов в триплете 2153 - САА и шифрует включение в полипептидную цепь остатка глутамина. В клетках кишечника в первичном транскрипте гена азотистое основание - цитозин (С) ко-дона 2153 дезаминируется и превращается в урацил (U). Возникает стоп-кодон - UAA, прекращающий трансляцию мРНК в середине молекулы и приводящий к синтезу укороченного белка. В результате образуется белок (В-48), длина которого составляет 48% от длины белка синтезируемого печенью.

Изменение стабильности мРНК. Для того, чтобы участвовать в синтезе белка, мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Установлено, что в ядре клеток обычно синтезируется больший набор гетерогенных РНК, чем тот, что выходит в цитоплазму. Многие продукты транскрипции подвергаются расщеплению нуклеазами, а те мРНК, что, транспортируются из ядра в цитоплазму, защищаются от гидролитического разрушения, образуя комплексы с белками.

Время жизни эукариотических мРНК значительно больше (t_1/2 составляет от нескольких часов до нескольких дней), чем t_1/2 мРНК прокариотов, равное нескольким минутам. Очевидно, что стабильность молекул мРНК - фактор, изменение которого влияет на уровень трансляции. Стабилизация мРНК при фиксированной скорости транскрипции приводит к накоплению и увеличению количества образующегося белкового продукта.

Продолжительность жизни разных мРНК варьирует в достаточно широких пределах. Некоторые гены кодируют продукт с большой продолжительностью жизни. Так, в ходе транскрипции гена β-глобина образуется мРНК с t_1/2, равной примерно 10 ч. Другие гены образуют мРНК с короткой продолжительностью жизни: мРНК, на которых синтезируются факторы роста,

Использование механизмов альтернативного сплайсинга и полиаденилирования в ходе синтеза мембранно-связанных и секреторных lg. Если транскрипт подвергается полиаденилированию после второго стоп-кодона, присутствующего в экзоне гена lgM, то синтезируются белки, у которых на С-конце присутствует гидрофобный домен, обеспечивающий связывание с плазматической мембраной. При стимуляции В-лимфоцитов в клетках осуществляется альтернативный сплайсинг первичного транскрипта, при котором интрон, содержащий первый стоп-кодон, сохраняется. Образуются более короткие мРНК, полиаденилирование которых происходит после первого стоп-кодона.

ависимость скорости синтеза глобина от концентрации тема. Когда внутриклеточный уровень тема высок, фактор инициации elF2 не фосфорилирован и активен, происходит синтез глобина. Если содержание тема в клетке снижается, фактор инициации фосфорилируется, инактивируется и синтез белка прекращается.

имеют t_1/2 менее 1 ч. Показано, что поли(А)-фрагмент на 3'-конце мРНК увеличивает продолжительность жизни молекул. Чем длиннее поли(А)-фрагмент, тем больше время жизни мРНК.

Описано много примеров регуляции количества синтезирующ