Матричные биосинтезы: репликация ДНК, транскрипция, сплайсинг и трансляция белков

Центральная догма молекулярной биологии (Ф. Крик, 1958 г.): генетическая информация передается по цепочке: ДНК → РНК → Белок (с исключением для ретровирусов: обратная транскрипция РНК → ДНК с помощью фермента ревертазы / обратной транскриптазы).

Репликация ДНК (удвоение) — матричный матричный биосинтез, протекающий в S-периоде интерфазы. Механизм полуконсервативный (доказан М. Мезельсоном и Ф. Сталем в 1958 г. с помощью изотопа ¹⁵N): каждая дочерняя молекула ДНК содержит одну материнскую цепь и одну вновь синтезированную цепь.

Ферментативный ансамбль репликационной вилки:

• Хеликаза (геликаза) — расплетает двойную спираль ДНК, разрывая водородные связи;

• Топоизомераза (гираза) — снимает суперскручивание и механическое напряжение перед вилкой;

• SSB-белки — удерживают одноцепочечные участки ДНК от повторного слипания;

• Праймаза (РНК-полимераза) — синтезирует короткий РНК-праймер (затравку);

• ДНК-полимераза — синтезирует новую цепь строго в направлении 5' → 3', присоединяя дезоксинуклеозидтрифосфаты (дНТФ) комплементарно матрице:

1. Лидирующая цепь — синтезируется непрерывно по ходу вилки;

2. Отстающая цепь — синтезируется прерывисто короткими фрагментами Оказаки (1000-2000 нуклеотидов);

• ДНК-лигаза — сшивает фрагменты Оказаки в непрерывную цепь фосфодиэфирными связями.

Транскрипция — матричный синтез молекулы РНК на матрице смыслового участка ДНК, катализируемый РНК-полимеразой. Фазы: инициация (связывание с промотором гена, TATA-бокс), элонгация (рост цепи РНК 5' → 3'), терминация (сигнал остановки транскрипции).

У эукариот ген имеет мозаичное экзон-интронное строение:

• Экзоны — кодирующие участки гена;

• Интроны — некодирующие «молчащие» участки, разделяющие экзоны.

Процессинг первичного транскрипта (пре-мРНК) в ядре:

1. Кэпирование — присоединение 7-метилгуанозина к 5'-концу (кэп) для защиты от экзонуклеаз и посадки на рибосому;

2. Полиаденилирование — присоединение poly(A)-хвоста из 150-250 адениловых нуклеотидов к 3'-концу;

3. Сплайсинг — вырезание некодирующих интронов сплайсосомой и сшивание экзонов в зрелую информационную иРНК;

4. Альтернативный сплайсинг — комбинирование различных экзонов одного гена позволяет одной последовательности ДНК кодировать несколько разных изоформ белков!

Генетический код — система записи информации о первичной последовательности аминокислот белков в виде последовательности нуклеотидов ДНК и иРНК. Расшифрован в 1961-1966 гг. (М. Ниренберг, Х. Корана, Р. Холли).

Фундаментальные свойства генетического кода:

1. Триплетность — каждую из 20 аминокислот кодирует тройка нуклеотидов — триплет (кодон на иРНК). Из 4 нуклеотидов возможно 4³ = 64 кодона;

2. Вырожденность (избыточность) — одна аминокислота может кодироваться несколькими кодонами (синонимами) — от 1 до 6 (например, лейцин и серин кодируются 6 кодонами каждый, метионин и триптофан — только 1). Это повышает устойчивость к мутациям;

3. Однозначность (специфичность) — каждый кодон шифрует СТРОГО ОДНУ определенную аминокислоту;

4. Неперекрываемость — нуклеотиды считываются тройками последовательно, один нуклеотид входит в состав только одного триплета;

5. Отсутствие знаков препинания внутри гена — считывание идет непрерывно триплет за триплетом;

6. Наличие знаков пунктуации: старт-кодон АУГ (AUG, кодирует метионин, с него начинается трансляция) и 3 стоп-кодона (нонсенс-кодоны: УАА, УАГ, УГА), на которых трансляция прекращается;

7. Универсальность — генетический код абсолютно одинаков для всех живых организмов Земли — от вирусов и бактерий до человека (доказательство единства происхождения жизни).

Трансляция — синтез полипептидной цепи по матрице зрелой иРНК, осуществляемый рибосомой в цитоплазме:

• Подготовительный этап: рекогниция — специфический фермент аминоацил-тРНК-синтетаза с затратой АТФ «навешивает» аминокислоту на акцепторный 3'-конец соответствующей тРНК;

• Инициация: малая субъединица рибосомы находит кэп и старт-кодон АУГ на иРНК; инициаторная тРНК с формилметионином (или метионином) садится на АУГ; присоединяется большая субъединица рибосомы;

• Элонгация (пошаговый рост белка): рибосома имеет А-сайт (аминоацильный) и P-сайт (пептидильный):

1. В А-сайт садится следующая тРНК с аминокислотой, антикодон которой комплементарен кодону иРНК;

2. Фермент пептидилтрансфераза рРНК большой субъединицы образует пептидную связь между аминокислотами;

3. Транслокация: рибосома с затратой энергии ГТФ сдвигается на 1 триплет (3 нуклеотида) вперед вдоль иРНК;

• Терминация: когда в А-сайт попадает стоп-кодон (УАА, УАГ, УГА), фактор терминации высвобождает готовый полипептид, и субъединицы рибосомы диссоциируют.

Стандартный алгоритм ЕНТ для решения задач по биосинтезу белка:

1. Матричная цепь ДНК (транскрибируемая): 3' - Т-А-Ц-Г-Г-А-Т-Т-Ц - 5';

2. Информационная РНК (иРНК): 5' - А-У-Г-Ц-Ц-У-А-А-Г - 3' (напротив A в ДНК ставится U в РНК!);

3. Антикодоны тРНК: к кодону АУГ антикодон УАЦ; к ЦЦУ антикодон ГГА; к ААГ антикодон УУЦ;

4. По таблице генетического кода аминокислоты ВСЕГДА ОПРЕДЕЛЯЮТ ПО КОДОНАМ иРНК (а не по тРНК или ДНК!):

АУГ → Мет, ЦЦУ → Про, ААГ → Лиз.