Николай Курчанов - Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие
После этого гя-РНК претерпевает процессинг или процесс образования функционально активных м-РНК. Он включает в себя процесс вырезания интронов и соединение экзонов – сплайсинг, процесс присоединения 7-метил-ГТФ к 5' – концу гя-РНК с образованием «кэпа» («шапочки») – кэпирование и процесс присоединения полиаденилового участка (поли-А) размером в 100–250 нуклеотидов к 3 – концу – полиаденилирование. В результате процессинга образуется матричная РНК (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Структура м-РНК:
1 – «кэп»; 2 – поли-А-участок; 3 – копии экзонов
Обычно гя-РНК в несколько раз (иногда в десятки раз) больше м-РНК.
Предполагается, что функция «кэпа» связана с инициацией процесса трансляции в результате прикрепления лидирующего участка м-РНК к определенному участку рибосомы, а полиадениловый «хвост» защищает м-РНК от ферментативного разрушения во время транспортировки к рибосомам. Точность сплайсинга регулируют мя-РНК, которые имеют участки, комплементарные концам интронов.
У прокариот и-РНК образуется в результате транскрипции сразу, и процессинга этот вид РНК не претерпевает.
Процессинг ядерных р-РНК и т-РНК проходит по другим схемам, без процессов кэпирования и полиаденилирования, хотя сплайсинг часто происходит. Так, 3 вида р-РНК (из 4) у эукариот образуются в сложном процессе из одного транскрипта (45S-РНК) путем его расщепления. Также происходит процессинг некоторых видов т-РНК эукариот, хотя другие т-РНК образуются без расщепления. Процессинг т-РНК часто представляет собой длинную цепь модификаций нуклеотидов (метилирование, дезаминирование и др.)
Процессы модификации т-РНК и р-РНК происходят и у прокариот, что позволяет характеризовать их как прокариотический процессинг.
Молекула и-РНК (после процессинга у эукариот и без процессинга у прокариот) участвует в другом матричном процессе – трансляции (синтезе белка).
6.4. Трансляция
Трансляцией называется процесс синтеза полипептидной цепочки на нити матричной РНК. Данный процесс протекает на рибосомах, поэтому вначале необходимо рассмотреть этот важнейший органоид клетки.
Рибосомы представляют собой миниатюрные клеточные «фабрики белка». Они являются клеточными органоидами, состоящими из белков (примерно 40 %) и р-РНК (60 %). Это самый многочисленный органоид – их число в клетке может достигать 10 млн.
Все рибосомы состоят из двух субъединиц – малой и большой (рис. 6.4). Размер рибосом и их субъединиц выражается скоростью седиментации частиц в растворе (S – константа Сведберга). Рибосомы прокариот характеризуются значениями 70S (30S + 50S), эукариот – 80S (40S + 60S). Рибосомы хлоропластов и митохондрий похожи на рибосомы прокариот, но отличаются значительной вариабельностью по размерам. Рибосомы содержат два участка – А (аминоацильный) и Р (пептидильный), являющимися основными каталитическими центрами. Помимо них, имеются и другие центры связывания ферментов. Специфичность участков определяется сочетанием соответствующих областей обеих субъединиц. При диссоциации субъединиц их специфичность теряется.
Рис. 6.4. Структура рибосомы
Как уже говорилось выше, рибосомы эукариот имеют в своем составе 4 разновидности р-РНК. Три из них образуются из единого предшественника (45S-РНК), синтез которого происходит в специализированной ядерной структуре – ядрышке – при помощи РНК-полимеразы-1. В ядрышках эукариот концентрируются петли хромосом, содержащие гены р-РНК. Эти гены обычно имеют много копий. Так, у человека 200 копий генов р-РНК располагаются на концах 5 пар хромосом (т. е. они имеются на 10 хромосомах из 46), поэтому сразу после митоза можно видеть 10 маленьких ядрышек, которые быстро сливаются в одно большое. Синтез 4-й р-РНК (5S-РНК) происходит вне ядрышка (у человека на 1-й хромосоме).
После поступления м-РНК на рибосомы и начинается процесс трансляции, в котором выделяют 4 стадии:
1. Стадия активации аминокислот. Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи особых ферментов (аминоацил-т-РНК-синтетаз) в присутствии АТФ. Для каждой аминокислоты существуют свои ферменты и свои т-РНК. Активированная аминокислота присоединяется к своей т-РНК с образованием комплекса аминоацил-т-РНК (аа-т-РНК). Только активированные аминокислоты способны образовывать пептидные связи и формировать полипептидные цепочки.
2. Инициация. Начинается с присоединения лидирующего 5'-конца и-РНК с малой субъединицей диссоциированной рибосомы. Соединение происходит так, что стартовый кодон (обычно АУГ) оказывается в «недостроенном» Р-участке. Комплекс аа-т-РНК с помощью антикодона т-РНК присоединяется к стартовому кодону и-РНК. Имеются многочисленные (особенно у эукариот) белки – факторы инициации.
У прокариот стартовый кодон кодирует N-формилметионин, а у эукариот – N-метионин. В дальнейшем эти аминокислоты вырезаются ферментами и не входят в состав белка. После образования инициирующего комплекса происходит объединение субъединиц и «достраивание» Р– и А-участков рибосом.
3. Элонгация. Начинается с присоединения в А-участке и-РНК второго комплекса аа-т-РНК с антикодоном, комплементарным следующему кодону и-РНК. На рибосоме оказываются две аминокислоты, между которыми возникает пептидная связь. После соединения аминокислот первая т-РНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому. Рибосома перемещается вдоль нити и-РНК на один триплет (в направлении 5' → 3'). Вторая аа-т-РНК перемещается в Р-участок, освобождая А-участок, который занимает следующая аа-т-РНК. Таким же образом присоединяются 4-я, 5-я и т. д. аминокислоты, принесенные своими т-РНК.
4. Терминация. Завершение синтеза полипептидной цепочки. Наступает тогда, когда рибосома дойдет до одного из терминирующих кодонов. Имеются особые белки (факторы терминации), которые узнают эти участки.
На одной молекуле и-РНК может располагаться несколько рибосом (такое образование называется полисома), что позволяет осуществлять синтез нескольких полипептидных цепей одновременно.
Процесс биосинтеза белка проходит с участием большего количества специфических биохимических взаимодействий. Он представляет собой фундаментальный процесс природы. Несмотря на чрезвычайную сложность (особенно в клетках эукариот), синтез одной молекулы белка длится всего 3–4 секунды.
По аналогии с геномом, в последнее время получает распространение термин «протеом» как совокупность функциональных белков клетки. Необходимо заметить, что если гены во всех клетках организма одинаковы, то наборы белков весьма разнообразны, меняясь в разных типах клеток по ходу онтогенеза.
6.5. Перенос генетической информации в природе
Концепция генетического кода имела принципиальное значение для генетики, поскольку постулировала существование в природе определенной системы передачи информации. Пути переноса информации легли в основу представлений, которые Ф. Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Основной порядок переписывания генетической информации в живой природе стал выражаться формулой:
ДНК → РНК → белок.
Такой поток информации реализуется в подавляющем большинстве живых систем. Единство генетического кода и общность потока генетической информации в природе показали, что эти явления произошли на самом раннем этапе эволюции жизни. Однако оба этих фундаментальных процесса имеют свои исключения. Вариации генетического кода мы рассмотрели выше. У некоторых вирусов были обнаружены особые варианты переноса информации – от РНК к РНК и от РНК к ДНК.
Огромное теоретическое значение имело открытие обратной транскрипции, вызвавшее широкий резонанс в научных кругах. Это открытие резко меняло устоявшиеся в генетике представления. При обратной транскрипции на РНК-матрице синтезируется двунитиевая структура ДНК (сначала одна нить, затем – другая). Этот процесс катализируется ферментом обратной транскриптазой (или РНК-зависимой-ДНК-полимеразой). Обратная транскриптаза была открыта в 1970 г. (Baltimore D., 1970; Temin H., Mizutani S., 1970) при исследовании так называемых ретровирусов. Синтезированная ими молекула ДНК встраивается в хромосому клетки-хозяина и при делении передается дочерним клеткам. В такой форме геном вируса может существовать долгое время, переходя от родителей к потомкам. Скрытая интегрированная форма вируса получила название провирус. При активации провируса происходит воспроизведение РНК ретровируса. Эта РНК может транслироваться, синтезируя вирусные белки (в том числе и обратную транскриптазу), и образовывать новые вирусные частицы, покрытые оболочкой.
