Биосинтез нуклеиновых кислот и белков (матричные биосинтезы)

Первичную структуру важнейших биополимеров - белков и нук­леиновых кислот - можно сравнить с буквенной записью: и в том, и в другом случае имеется не произвольное, а строго определенное, «име­ющее смысл» чередование элементов - мономеров или букв. На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами. Чтобы получить такие молекулы, недостаточно смешать мономеры и обеспечить условия образования пептидной или фосфоди- эфирной связи, необходима еще программа, определяющая последова­тельность присоединения разных мономеров к растущей цепи полиме­ра. При биосинтезе новых молекул нуклеиновых кислот и белков носи­телями такой программы являются нуклеиновые кислоты; в этой роли их называют матрицами. Матрица в ходе матричного синтеза не расхо­дуется и может использоваться многократно; в этом отношении она сходна с катализатором.

Различают три основных типа матричных биосинтезов:

1) биосинтез ДНК (репликация ДНК) с использованием в качестве матрицы уже существующих молекул ДНК;

2) биосинтез РНК на матрице ДНК (транскрипция);

3) биосинтез белков с использованием в качестве матрицы РНК (трансляция).

Репликация ДНК

Структура двойной спирали ДНК позволяет представить простой механизм репликации: две цепи ДНК, образующие спираль, сначала раскручиваются за счет разрыва водородных связей между комплемен­тарными основаниями, цепи расходятся, а затем каждая одноцепочечная половина молекулы ДНК достраивается до целой двухцепочечной мо­лекулы. При этом каждая цепь служит матрицей, к которой путем спа­ривания оснований подстраивается комплементарная цепочка. При этом свободные нуклеотиды поступают из клеточных органелл (рибосом), фермент ДНК-полимераза связывает их в фосфатно-пептидный остов, а азотистые основания этих нуклеотидов комплементарно связываются с матричными азотистыми основаниями:

A-T-A-A-G-C-T-C

• ••• а •..

• • • •, •..

T-A-T-T-C-C-A-G A-T-A-A-G-C-T-C

• ••• а •••

• • • •. •..

• • • •. •.,

T-A-T-T-C-C-A-G

Таким образом, из каждой исходной молекулы ДНК получаются две копии с идентичной структурой, т. е. образование пар оснований со­ставляет химическую основу считывания биологической информации, закодированной в нуклеотидной последовательности.

ДНК является носителем генетической информации. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов, коди­рующих синтез определенного белка. При делении «копии» ДНК расхо­дятся по двум дочерним клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь одну и ту же информацию, которая находится в «материн­ской» клетке, а значит и одинаковые наборы генов. Но непосредствен­ного участия в синтезе белков ДНК не принимает. Она содержится в хромосомах ядра и отделена ядерной мембраной. К рибосомам посыла­ется несущий информацию посредник -информационная РНК. Как это происходит? Для этого служат два других типа матричных биосинтезов - транскрипция и трансляция.

Биосинтез РНК (транскрипция)

Синтез и-РНК происходит в присутствии ДНК, выполняющей роль матрицы (матрицей служит одна из цепей ДНК). Синтез РНК про­исходит в направлении от 5'-конца к З'-концу. Все синтезированные молекулы и-РНК имеют структуру, комплементарную матрице (т. е. од­ной из цепей ДНК). Транскрипция катализируется ферментом РНК- полимеразой. Фермент присоединяется к матрице не в любом ее месте, а в специальных участках, называемых промоторами: в этих местах мо­лекулы ДНК есть последовательности нуклеотидов, узнаваемые РНК- полимеразой. Связывание РНК-полимеразы с промотором приводит к локальному расхождению нуклеотидных цепей в этом участке; одна из цепей служит матрицей. Наращивание молекулы РНК происходит в ре­зультате перемещения РНК-полимеразы вдоль ДНК путем присоедине­ния очередного рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибо- нуклеотиду ДНК, который в данный момент находится в области актив­ного центра РНК-полимеразы. В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется последовательность нуклеотидов (терминирующий кодон), до­стигнув которого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК. Таким образом получаются отдельные молекулы РНК, каждая из которой содержит информацию одного гена или группы генов (назы­ваемой опероном), несущих информацию о структуре белка, необходи­мого для выполнения одной функции.

Биосинтез белка (трансляция)

Биосинтез белков отличается от других типов матричных синте­зов двумя принципиальными особенностями:

1) нет соответствия между числом мономеров в матрице и про­дукте реакции (в и-РНК 4 разных нуклеотида, а в белке 20 разных ами­нокислот);

2) структура рибонуклеотидов (мономеров матрицы) и аминокис­лот (мономеров продукта) такова, что избирательные взаимодействия между ними, подобные образованию пар A-T, C-G, невозможны, иначе говоря, между и-РНК (матрицей) и пептидной цепью белка (продуктом) нет комплементарности.

Из этого следует, что механизм использования матрицы при син­тезе белков должен быть иным, чем в случае синтеза ДНК и РНК. Если репликацию и транскрипцию можно сравнить просто с переписыванием текста, то трансляция - это дешифровка, декодирование информации об аминокислотной последовательности, закодированной с помощью нук- леотидной последовательности. Способ шифровки в нуклеиновых кис­лотах информации о первичной структуре белков получил название биологического кода (его называют также генетическим, нуклеотидным, аминокислотным кодом).

Биологический код - система записи информации о последова­тельности расположения аминокислот в белках с помощью последова­тельности расположения нуклеотидов в и-РНК.

Один из первых вопросов, который возникает при выяснении структуры биологического кода, - это вопрос о кодовом числе, т. е. о числе нуклеотидных остатков, кодирующих включение в белок одной аминокислоты. Очевидно, что кодовое число не может быть равным единице, так как в этом случае с помощью четырех нуклеотидов можно было закодировать только четыре аминокислоты. При кодовом числе 2 количество разных нуклеотидных пар будет равно числу перестановки из четырех элементов по 2, т. е. равно 4 =16, что также недостаточно для кодирования всех аминокислот. Число разных троек нуклеотидов равно 4 =64. Это в три с лишним раза превышает минимальное число, необходимое для кодирования 20-ти аминокислот. Экспериментально доказано, что в биологическом коде кодовое число равно трем: тройку нуклеотидных остатков (триплет), кодирующих включение одной ами­нокислоты, называют кодоном.

Из 64 триплетов 61 используется для кодирования аминокислот, а три - UAA, UAG и UGA - обозначают конец матрицы: на этих трипле­тах обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи - термини­рующие триплеты. Каждый триплет кодирует только какую-нибудь од­ну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью, или однозначностью. С другой стороны, одна аминокислота может кодиро­ваться двумя или большим числом (до шести) разных триплетов, т. е. код вырожден.

Путь информации от ДНК к белку представляется следующим об­разом:

К настоящему времени биологический код изучен у большого ко­личества разных организмов - от вирусов и бактерий до высших живот­ных. Во всех случаях он оказался одинаковым. Эта универсальность ко­да лишний раз свидетельствует о единстве происхождения всех форм жизни на Земле.

Ошибка в биологическом коде приводит к различным болезням. Например, у здоровых людей в гене, несущем информацию о b-цепи гемоглобина, триплет GAA или GAG, стоящий на шестом месте, коди­рует глутаминовую кислоту. У больных гемофилией второй нуклеотид в этом триплете заменен на U, а GUA или GUG кодирует аминокислоту валин.

Мутации

Изменение структуры ДНК, передающееся последующим поколе­ниям, называется мутацией. На молекулярном уровне мутация - это изменение нуклеотидной последовательности ДНК. В какой-то степени мутация - это спонтанный процесс, которому ДНК подвергается посто­янно. Причины мутаций различны:

1) связана с возможностью существования нуклеотидных основа­ний в двух таутомерных формах; предполагают, что в случае один на миллион возможно образование пар оснований и с таутомером;

2) действие продуктов нормального метаболизма клетки (перок- сиды, азотистая кислота) - являются мутагенами, т. е. веществами, спо­собными индуцировать химические мутации ДНК;

3) радиация. ДНК интенсивно поглощает УФ-излучение и при до­статочной дозе это излучение убивает большинство клеток, а остальные подвергаются очень глубокой мутации (водородные связи заменяются на ковалентные). Однако каждая клетка имеет механизм для восстанов­ления ДНК: с помощью ферментов она заменяет поврежденный фраг­мент.

Мутации изменяют генетический материал клетки: возникают ли­бо болезни, либо прекращается выработка какого-либо белка, либо про­сто активность белка уменьшается.

Спонтанные мутации появляются в результате ошибок реплика­ции ДНК, неправильного формирования комплементарных пар основа­ний, структурных искажений ДНК и вследствие перемещения подвиж­ных генетических элементов в процессе роста и размножения популя­ции бактерий. Спонтанные мутации могут обусловливать благоприят­ные и неблагоприятные генетические изменения. Вероятность возник­новения определенных мутаций в расчете на одну клетку и на одну ге­нерацию называют частотой мутирования. При высоких скоростях ро­ста она постоянна, и ее обычно определяют для клеток в экспоненци­альной фазе роста при оптимальных условиях среды. В фенотипе про­являются не все мутации. Непроявленные мутации называются молча­щими. У мутанта может произойти обратная мутация, или реверсия, в результате которой восстановятся свойства дикого штамма. Об истин­ной обратной мутации говорят лишь в тех случаях, когда вторая мута­ция точно восстанавливает исходный генотип, если же восстанавливает­ся только фенотип, то говорят о вторичной реверсии, или супрессорной мутации. Супрессорные мутации могут происходить как в исходном гене, так и в каких-либо других участках хромосомы (интрагенные и экстрагенные супрессорные мутации).

Индуцированные мутации возникают под влиянием внешних фак­торов, которые называют мутагенами. Мутагены бывают физическими (УФ-лучи, у-радиация), химическими (аналоги пуриновых и пиримиди- новых оснований, например, 2-аминопурин, азотистая кислота и ее ана­логи, алкилирующие агенты и др.) и биологическими (транспозоны) (см. табл. 2.4).

По протяженности повреждений мутации бывают точечными, ко­гда повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, и протя­женными (аберрации). Мутации разделяют на хромосомные, обуслов­ливающие появление нового признака при изменении двух и более участков хромосомы, и генные, обусловленные появлением нового при­знака при изменении гена. В этом случае может наблюдаться модифи­кации оснований (изменения отдельных нуклеотидов), выпадение не­скольких пар нуклеотидов (делеции), перемещение группы нуклеотидов в пределах хромосомы (транспозиция), разрыв путем вставки посто­ронней ДНК (инсерция) или добавление нуклеотидных пар (дупликация) и деформация спирали ДНК. Для точечных мутаций частота реверсий довольно высока, в то время как для аберраций реверсии не характерны.

Первичный эффект мутагенного фактора не обязательно ведет к истинной мутации. Новый фенотип проявляется только тогда, когда из­мененный ген начнет функционировать. С помощью различных методов удается накапливать и выделять мутантов с разного рода дефектами: с нарушением процессов транспорта или использования субстрата, с де­фектами промежуточного обмена, с повышенной чувствительностью к температуре и т. д.

Теоретически, мутации, вызванные радиацией, химическими ве­ществами или другими факторами, могли бы привести к вымиранию бактериальной популяции, однако в любой живой клетке существуют биохимические механизмы, способные полностью или частично восста­навливать исходную структуру ДНК. Совокупность ферментов, катали­зирующих реакции коррекции повреждений ДНК, составляют системы репарации, которые принципиально различаются по биохимическим механизмам восстановления генома. Известны три основных механизма коррекции дефектов ДНК:

1. Непосредственная реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре.

2. Эксцизия («выпадение») повреждений с последующим восста­новлением исходной структуры.

3. Активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к по­вреждениям.

Реверсия повреждений ДНК. К механизмам прямой реверсии по­вреждений ДНК относится световая репарация, или фотореактивация (исправление деформации ДНК под действием УФ-лучей). Световая ре­парация осуществляется несколькими ферментами: фотолиазой (рас­щепляет тиминовый димер и восстанавливает целостность соседних ти- миновых оснований), О⁶-метилтрансферазой (удаляет О⁶-метильную группу из остатков гуанина после действия метилирующих агентов), ДНК-пурин инсертазой (осуществляет встраивание утерянного при му­тации основания в апуриновый сайт), ДНК-гликозилазой (удаление де­фектных оснований). Все эти процессы происходят в один этап под дей­ствием конкретного фермента и безошибочно восстанавливают исход­ную структуру ДНК.

Системы эксцизионной репарации удаляют неправильно спарен­ные или поврежденные основания из ДНК и синтезируют новую после­довательность ДНК, замещающую их. Место повреждения распознает эндонуклеаза, расщепляющая цепь ДНК вблизи дефекта, фрагмент уда­ляется, а дефект восполняется при помощи ДНК-полимеразы, которая проникает в брешь и встраивает в нее отсутствующие нуклеотиды, ис­пользуя неповрежденную цепь ДНК в качестве матрицы. ДНК-лигаза ковалентно связывает 3'-конец вновь синтезированного участка ДНК с цепочкой. Поскольку эта система репарации основана на ресинтезе нук- леотидной цепи на базе неповрежденной матрицы, она также является практически безошибочной.

Репарационные механизмы устойчивости к повреждениям ДНК. Кроме механизмов исправления повреждений, клетки имеют возмож­ность «обойти» вызванную повреждениями блокаду репликации ДНК, например, путем репарации в процессе рекомбинации.

В биохимической технологии явление мутации важно с двух то­чек зрения:

1. С помощью мутаций можно изменить природу микроорганиз­ма, чтобы от стал более полезным для какой-либо определенной цели. Например, основные успехи в производстве пенициллина были достиг­нуты благодаря получению высокопродуктивных мутантов исходного штамма плесени Penicillium путем его облучения ультрафиолетовым светом, что привело к увеличению выхода пенициллина (нужного про­дукта метаболизма) на несколько порядков (с 20 мг/л до 7 г/л). В даль­нейшем при использовании других мутагенов (химических веществ, вызывающих мутации) производство пенициллина удалось увеличить до 20 г/л.

Таблица 2.4

Наиболее часто применяющиеся химические агенты для получе­ния мутагенного эффекта

2. С другой стороны, мутации могут создавать в биотехнологии и ряд затруднений. Для успеха микробиологического промышленного процесса часто необходимы чистые штаммы микроорганизмов, облада­ющие хорошо известными характеристиками. Вместе с тем нельзя ис­ключать возможность мутаций в таких культурах, поэтому необходима регулярная проверка их генетической гомогенности.

Адапторная функция т-РНК

Между аминокислотами и нуклеотидами (или триплетами нуклео- тидов) невозможны комплементарные взаимодействия по типу образо­вания нуклеотидных пар А...Т, C...G, A...U. Поэтому было сделано

предположение о существовании молекул-адапторов, каждая из кото­рых может взаимодействовать с определенным кодоном, с одной сторо­ны, и с определенной аминокислотой, с другой стороны. В 1957 г. эти молекулы были обнаружены. Ими оказались транспортные РНК (т-РНК). Очевидно, что для адаптирования 20-ти разных аминокислот к соответствующим им кодонам нужно 20 разных т-РНК. Эти т-РНК обо­значают следующим образом: т-РНК^А1а т-РНК^Н18 и т. д. (аланиновая т-РНК, гистидиновая т-РНК и т. д.). Однако, поскольку код вырожден, число разных т-РНК больше 20 (не меньше числа кодонов, имеющих смысл, т. е. не меньше 61-го).

Взаимодействие т-РНК с аминокислотами - ферментативный про­цесс, приводящий к образованию ковалентной связи между аминокисло­той и т-РНК, катализируются эти реакции аминоацил-т-РНК- синтетазами. Такие соединения называют аминоацил -т-РНК (аа-т-РНК). Аминокислота присоединяется к З'-концу нуклеотидной цепи т-РНК (где имеется последовательность А - С - С, общая для всех т-РНК), при этом образуется сложноэфирная связь за счет карбоксильной группы аминокислоты и гидроксильной группы концевого остатка адениловой кислоты в т-РНК:

цитозин

--- CH₂

Hwi

OH

| З'-конец т-РНК

о^=р—о

I I цитозин

^O- CH2

нОн

OH

о^=р о I I аденин о- ch2 он о

I н

о^=С----------- C------ R

| аминоацильный nh₂ остаток

Существует не менее 20-ти разных аминоацил-т-РНК. Каждый из этих ферментов катализирует реакцию только одной из 20-ти аминокис­лот с т-РНК, соответствующей этой аминокислоте. Например, аланил-т- РНК-синтетаза катализирует реакцию аланина с аланиновой т-РНК:

Аланин + т-РНК^А1а + АТФ = Ала-т-РНК^А1а + АМФ + Н₄Р₂О₇ Таким образом, аминоацил-т-РНК-синтетазы должны иметь в ак­тивном центре участок, комплементарный одной из аминокислот, и уча­сток, комплементарный какой-то части молекулы одной из т-РНК. Именно вследствие такой субстратной специфичности каждая из ами- ноацил-т-РНК-синтетаза «узнает» и «выбирает» из смеси 20-ти амино­кислот и нескольких десятков т-РНК определенную пару (аминокислоту и соответствующую ей т-РНК), и соединяет эту пару. Взаимодействие аа-т-РНК с кодоном и-РНК обеспечивается тем, что в одной из петель молекулы т-РНК имеется триплет нуклеотидов, комплементарный ка­кому-нибудь кодону. Такой триплет называют антикодоном. Образова­ние аа-т-РНК можно сравнить с изготовлением двойного шрифта, например, для перевода знаков азбуки Морзе в знаки буквенного алфа­вита:

к_____________ о___________ д___________

А - А - А антикодон U - U - U кодон (и-РНК)

Роль матричной РНК

Располагая двойным шрифтом, легко прочитать текст, записан­ный азбукой Морзе. Достаточно расставить шрифт на телеграфной лен­те соответственно знакам азбуки Морзе. Роль и-РНК в трансляции ана­логична роли телеграфной ленты в этом примере: аа-т-РНК присоединя­ется антикодонами к соответствующим кодонам и-РНК, в результате чего аминокислотные остатки оказываются расположенными в той по­следовательности, в какой расположены кодоны в и-РНК. Теперь оста­ется лишь соединить аминокислотные остатки пептидной связью, чтобы получилась пептидная цепь (белок) с определенной первичной структу­рой. Таким образом, последовательность кодонов и-РНК коллинеарна последовательности аминокислотных остатков в соответствующем бел­ке. Эта схема отражает лишь принципиальный механизм перевода нук- леотидной последовательности (точнее, последовательности кодонов) в аминокислотную последовательность.