Біосинтез нуклеїнових кислот

Проблема біосинтезу білка і нуклеїнових кислот надзвичайно цікава не тільки для медицини й біохімії, але й для молекулярної генетики зокрема. Під час біосинтезу білка відбувається реалізація генетичної (спадкової) інформації, закладеної в ДНК, яка проявляється у вигляді відтворення відповідних білкових та небілкових структур, їх властивостей та поведінки цілого організму.

 

 

 Вже в кінці XIX ст. генетичні та цитологічні дослідження довели, що за передачу ознак за спадковістю відповідають хромосоми. Велика заслуга в розкритті механізму передачі спадкових ознак від покоління до покоління належить чеському природодосліднику, монаху Грегору Менделю. Роль біохімії у вирішенні цього питання в минулому столітті була другорядною. Можна згадати лише двох німецьких учених: професор Гоппе-Зейлер доручив своєму учневі Мішеру (1866) дослідити бинти, що знімали із гнійних ран. Мішер, виконавши завдання, повідомив, що в гної ран є кисла речовина, яку він назвав нуклеїном. Пізніше ці речовини були названі нуклеїновими кислотами. Пройшло більш як півстоліття, поки вчені почали пов'язувати з нуклеїновими кислотами спадкові властивості організму. Оскільки хромосоми складаються з ядерних білків та ДНК, то виникло питання, яка роль кожного з цих компонентів у передачі спадкових ознак.

 Експериментально було доведено, що основна роль в передачі спадкової інформації належить ДНК, а білок виконує захисну та стабілізувальну функцію для ДНК. Наочним доведенням цього послужило вивчення розмноження бактеріофага (вірус, що уражає бактерії) у кишковій паличці. Встановлено, що бактеріофаг складається із ДНК та білкової оболонки. Під час зараження кишкової палички фат прикріплюється до стінки бактерії і всередину її впорскує ДНК, білкова оболонка при цьому залишається зовні на поверхні. Через кілька хвилин в бактерії виявляють сотні фагових частинок, що мають нову білкову оболонку і ДНК всередині. Звідси ясно, що вся інформація про структуру фата міститься в ДНК. Генетична інформація, тобто пам'ять про структуру білків, характерних для даної клітини, закодована в нуклеотидній послідовності ДНК (або РНК для РНК-вмісних вірусів). При поділі клітин відбувається точне відтворення молекул ДНК із наступним рівним розподілом інформаційного матеріалу клітини між дочірніми клітинами.

 У процесі реалізації генетичної інформації ДНК служить матрицею для синтезу РНК, а РНК — матрицею для синтезу білків. Цю тезу називають центральною догмою (постулатом) молекулярної біології:

 

Стрілки показують напрями перенесення генетичної інформації, а цифри — конкретні метаболічні процеси.

 

Існують три різновиди передачі генетичної інформації:

1. Реплікація — синтез дочірніх молекул ДНК, ідентичних материнській ДНК (ДНК -> ДНК).

 

http://www.youtube.com/watch?v=teV62zrm2P0

 

2. Транскрипція — синтез на матриці ДНК молекул РНК, нуклеотид-на послідовність яких комплементарна певній ділянці матриці (ДНК—> РНК).На ДНК-матрицях утворюються всі три типи РНК — мРНК, рРНК, тРНК.

http://www.youtube.com/watch?v=ztPkv7wc3yU

 

 

3. Трансляція — синтез білків, амінокислотна послідовність якихвизначається нуклеотидною послідовністю мРНК (мРНК —> білок).

У клітинах, інфікованих РНК-вмісними вірусами, відбуваються ще такі процеси, як зворотна транскрипція (4) і реплікація РНК (5). Зворотна транскрипція — синтез ДНК, нуклеотидна послідовність якої комплементарна послідовності молекули РНК (РНК —> ДНК). Реплікація РНК — синтез молекул РНК на матриці вірусної РНК для утворення нових вірусних частинок (РНК -> РНК).

 

http://www.youtube.com/watch?v=5bLEDd-PSTQ

http://www.youtube.com/watch?v=-zb6r1MMTkc&feature=related

 

Загальна схема биосинтезу білків в клітині (ДНК РНК білок)

Важливими процесами у передачі генетичної інформації є репарація, рекомбінація і транспозиція ДНК.

1.     Репарація — ферментативне видалення і повторний синтез ділянок ДНК, що отримали пошкодження під дією фізичних та хімічних агентів.

2.     Рекомбінація — обмін генетичним матеріалом між різними молекулами ДНК. За цих умов утворюються так звані рекомбінантні ДНК.

3.     Транспозиція — переміщення гена чи групи генів із одного місця геному в інше. Такі гени називаються транспозонами, або стрибаючими генами. Вони можуть викликати перебудову тих ділянок ДНК, поряд з якими вони розміщуються, впливають на мінливість організмів і їх еволюцію.

 

РЕГУЛЯЦІЯ БІОСИНТЕЗУ БІЛКІВ

Припускають, що геном людини містить від 50 до 100 тисяч генів (геном Е. coli – більше 3000). Кожна клітина організму містить повний набір генів, але ніколи не синтезує всі закодовані білки. Деякі білки наявні у клітині у великій кількості, а інші – у малій. Так, у більшості клітин наявні набори основних ферментів, що каталізують реакції головних шляхів метаболізму. Але клітини різних типів містять спеціалізовані білки, що реалізують характерні для даних клітин функції. Наприклад, еритроцити містять величезну кількість гемоглобіну, фібробласти – колагену, клітини скелетних м'язів – актину і міозину, але еритроцити не містять колагену, актину і міозину, а фібробласти – білків м'язів, печінки – гемоглобіну і т.п. Таким чином, кожна клітина має здатність контролювати біосинтез білків.

Зараз порівняно мало відомо про регуляцію експресії генів у тварин і більша частина результатів отримана в дослідженнях мікроорганізмів. Залежно від складу живильного середовища, бактерії синтезують багато ферментів з різною швидкістю. Наприклад, клітини Е. coli, які ростуть на середовищі, де єдиним джерелом вуглецю служить лактоза, містять фермент b-галактозидазу (лактазу) у кількості, що складає близько 3 % загального клітинного білка. Якщо ж середовище містить друге джерело вуглецю (глюкозу, фруктозу та ін.), то ця кількість зменшується у 1000 раз (до декількох молекул на клітину). Таким чином, внесення лактози в живильне середовище індукує синтез b-галактозидази; лактоза називається індуктором, а фермент – індукованим (індуцибельним). Кінцеві продукти певних ланцюгів реакцій (наприклад, реакцій синтезу амінокислот чи нуклеотидів) викликають репресію (гальмування) синтезу відповідних ферментів, що називаються репресованими (репресибельними). Такі кінцеві продукти ферментативних реакцій називаються корепресорами.

Синтез ферментів у бактерій регулюється, головним чином, на рівні транскрипції за рахунок зміни швидкості утворення мРНК. Для пояснення механізму контролю Ф. Жакоб і Ж. Моно розробили теорію індукції-репресії активності генів, або, інакше, теорію оперона. Встановлено, що експресія структурних генів, які кодують білки чи РНК, контролюється регуляторними генами. В результаті транскрипції регуляторних генів утворюються мРНК, які служать матрицею для синтезу білків-репресорів. Останні зв'язуються з певною ділянкою молекул ДНК (оператором) і, перешкоджаючи зв'язуванню РНК-полімерази з промоторною ділянкою ДНК, блокують ініціацію транскрипції відповідних структурних генів.

 

Регуляція експресії Lac—оперону E.Coli

Сукупність одного чи декількох функціонально зв'язаних структурних генів і регуляторних ділянок ДНК (оператора і промотора) складає оперон. Регуляторний ген не обов'язково розміщений поряд з опероном, який він контролює.

 

Схема регуляції синтезу білків шляхом індукції:

ГР – ген-регулятор, П – промотор, ГО – ген-оператор,

білки 1, 2, 3 –віцдповідно, бета-галактозидаза, пермеаза і трансацетилаза

 

Схема регуляції синтезу білків шляхом репресії:

ГР – ген-регулятор, П – промотор, ГО – ген-оператор,

білки 1, 2, 3 –відповідно, бета-галактозидаза, пермеаза і трансацетилаза

 

На рисунку схематично зображений лактозний оперон. Він включає 3 розміщені поряд структурні гени, що кодують білки, необхідні для засвоєння лактози (b-галактозидазу, пермеазу і трансацетилазу). Перед ними розміщені регуляторні ділянки – промотор (П) і оператор (О). За відсутності лактози активний білок-репресор зв'язаний з оператором і транскрипція структурних генів заблокована. В результаті із-за відсутності мРНК синтез b-галактозидази і зв'язаних з нею ферментів пригнічується (репресується). Якщо у живильному середовищі є лактоза, вона зв'язується з білком-репресором і переводить його в неактивний стан, коли репресор втрачає здатність зв'язуватись з оператором. Від'єднання комплексу індуктор-репресор від оператора робить можливим зв'язування РНК-полімерази з промотором і транскрипцію мРНК структурних генів. Тим самим індукується синтез ферментів для засвоєння лактози.

У бактерій відкрито велику кількість оперонів. У частини оперонів білок-репресор, на відміну від лактозного, не може зв'язуватись з оператором, якщо в клітині відсутня низькомолекулярна речовина-корепресор. Такими оперонами є гістидиновий і триптофановий, які регулюють синтез ферментів, необхідних для біосинтезу бактеріями амінокислот гістидину і триптофану.

При відсутності цих амінокислот у живильному середовищі має місце транскрипція структурних генів відповідних оперонів, а значить, і синтез ферментів, необхідних для утворення амінокислот. При наявності гістидину чи триптофану вони зв'язуються з білком-репресором – продуктом регуляторного гена, комплекс репресор-корепресор приєднується до оператора, внаслідок чого транскрипція структурних генів не відбувається. Таким чином, при наявності амінокислот синтез ферментів, необхідних для їх утворення, репресується.

Приклад дії негативного зворотнього триптофанового репресора

Гістидиновий оперон включає 10 структурних генів, що кодують 10 ферментів, необхідних для біосинтезу гістидину. Триптофановий оперон контролює синтез 5 поліпептидів.

Отже, двома важливими особливостями контролю активності генів шляхом індукції і репресії є:

1) під безпосереднім контролем знаходиться процес транскрипції (синтез мРНК), а контроль трансляції – тільки наслідок;

2) контроль здійснюється завдяки переходу білка-репресора з неактивного в активний стан і навпаки під дією індуктора та корепресора.

Крім регуляції експресії генів шляхом взаємодії білка-репресора з індукторами чи корепресорами, відкриті й інші регуляторні сигнали. Так, на процес транскрипції впливають надспіралізація ДНК, наявність специфічних нуклеотидних послідовностей ДНК, які служать регуляторними елементами різних типів, метилювання цитозину в ДНК. Вірогідно, що ці регуляторні сигнали також впливають на взаємодію між ДНК і білками.

Біологічне значення регуляції біосинтезу білків шляхом індукції і репресії генів полягає в тому, що вона дозволяє бактеріям пристосуватись до змін навколишнього середовища. Експресуються тільки ті гени, продуктів яких потребує клітина в даний момент згідно з зовнішніми умовами. У багатоклітинних організмах рослин і тварин також має місце адаптивна регуляція експресії генів шляхом індукції і репресії при зміні концентрації певних метаболітів, гормонів. Та основна проблема регуляції дії генів в вищих організмах зв'язана з тим, що всі клітини містять одну і ту ж ДНК, але повинні виконувати різні функції, а для цього синтезувати різні білки. Вибір білків, які повинні синтезуватись в тій чи іншій клітині, здійснюється основним чином на рівні транскрипції. Кожна клітина характеризується специфічною комбінацією активних і неактивних генів, яка поступово змінюється у процесі розвитку. Таким чином, відмінності клітин при диференціації виникають внаслідок стабільної репресії одних генів і дерепресії інших. Безперечно, експресія ДНК у вищих організмів регулюється набагато досконалішими механізмами, ніж у бактерій, і зараз інтенсивно вивчається.

 

Кількість структурних генів в опероні залежить від складності біохімічних перетворень того чи іншого субстрату. Регуляція генної активності у вищих організмів набагато складніше, ніж у бактерій. У еукаріот поряд з регуляторними процесами, які впливають на функціонування окремої клітини, існують системи регуляції організмів як цілого. Гормони утворюються в спеціалізованих клітинах залоз внутрішньої секреції і з кровю розносяться по всьому тілу.

В еукаріотів регуляція біосинтезу білка відбувається за участю хромосомних білків і так званої малої ядерної РНК.

Хромосомні білки (гістони і негістонові білки), таким чином, виконують не тільки структурну, але і регуляторну функцію, полегшуючи або утруднюючи транскрипцію певних генів хроматину. Гістони виступають у ролі негативного регулятора біосинтезу білка (подібно до репресорів у бактерій). Вони своїм позитивним зарядом зв'язуються з негативно зарядженими фосфатами ДНК і блокують транскрипцію. За цих умов транскрипція може відбуватись тільки при послабленні зв'язку гістонів з ДНК. Отже, зменшення позитивного заряду гістонів або модифікація їх структури буде призводити до деблокування транскрипції. Цьому сприяють такі перетворення гістонів, як фосфорилювання, ацетилювання і метилювання. Внаслідок таких модифікацій полегшується транскрипція і збільшується синтез РНК. В той же час можна припустити, що гістони не можуть забезпечувати специфічності регуляції генів, тому що їх число дуже обмежене (всього 5 різновидів). Вірогідніше, що регуляторна функція гістонів неспецифічна або специфічна для якихось однотипних транскриптонів.

Більш важлива роль в регуляції синтезу білка повинна належати негістоновим білкам ядра, яких нараховується понад 500 фракцій. Ці білки, як правило, містять негативний заряд і можуть зв'язуватись з певними специфічними ділянками ДНК. Тому вони відіграють роль позитивних регуляторів синтезу білка, полегшуючи транскрипцію в місцях зв'язування ДНК. Найбільш активно підсилюють транскрипцію фосфорильовані негістонові білки. Не виключено, що своїм значним негативним зарядом вони утворюють комплекс з позитивно зарядженими гістонами і відтягують їх від ДНК, що приводить до полегшення транскрипції. Регулятором транскрипції виступає і низькомолекулярна ядерна РНК (мала ядерна РНК), яка перебуває в ядрі у комплексі з білком (РНП). Такий рибонуклеопротеїн може вибірково включати гени шляхом комплементарної взаємодії з акцепторними ділянками транскриптону. Регуляторна функція малої ядерної РНК вивчається.

Регуляція синтезу білка в еукаріотів здійснюється на рівні транскрипції і трансляції. В першому випадку це проявляється у вибірковості дії різних регуляторів на окремі гени. Регуляція на рівні трансляції більше проявляється на швидкості синтезу окремих білків в рибосомах і менше на їх амінокислотному складі, бо під час трансляції лише механічно відтворюється програма мРНК. Речовини, що прискорюють синтез білка, називаються індукторами, а ті, що сповільнюють його, – інгібіторами. Індуктори (наприклад, гормони), потрапляючи в ядро клітини, взаємодіють з молекулами-регуляторами транскрипції або викликають їх модифікацію. Індуктори можуть включати "свої" гени в різних ділянках хромосом шляхом інактивації репресорної дії гістонів, зв'язуючись з ними або активуючи ферменти, які здійснюють їх фосфорилювання чи ацетилювання. Індуктори можуть також викликати модифікацію негістонових білків або діяти опосередковано через малу ядерну РНК. В кінцевому рахунку індуктор полегшує зв'язування РНК-полімерази з промотором і утворення копій транскриптонів-транскриптів.

Після припинення дії індуктора відбувається від'єднання модифікованих груп від гістонів, останні знову з'єднуються з ДНК, що призупиняє транскрипцію. Аналогічних змін зазнають і негістонові білки, які знову зв'язуються з хроматином.

Регуляція синтезу білка на рівні транскрипції може здійснюватись і шляхом впливу речовин на білкові фактори, що контролюють в рибосомах ініціацію, елонгацію і термінацію, і на різні функціональні ділянки рибосом. Індуктори застосовують з метою стимуляції синтезу білка в пошкоджених або атрофованих (внаслідок бездіяльності) органах, для стимуляції росту дітей, котрі погано фізично розвиваються. Крім гормонів, індукторами можуть виступати негормональні речовини, що одержані синтетично, або похідні гормонів. Як індуктори синтезу білків застосовують і деякі речовини, які стимулюють синтез азотових основ нуклеїнових кислот, наприклад оротат калію.

Інгібітори синтезу білка використовують для пригнічення поділу і росту клітин.