КУРСЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ
Педагогический университет "Первое сентября"

АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

№ газеты

Учебный материал

34

Лекция № 1. Основные виды биополимеров

36

Лекция № 2. Внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в биополимерах

38

Лекция № 3. Нуклеиновые кислоты
Контрольная работа № 1 (срок выполнения - до 15 ноября 2004 г.)

40

Лекция № 4. Механизмы функционирования белков

42

Лекция № 5. Генетический код
Контрольная работа № 2 (срок выполнения - до 15 декабря 2004 г.)

44

Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот

46

Лекция № 7. Предварительные этапы биосинтеза белка

48

Лекция № 8. Биосинтез белка и его локализация в клетке

Итоговая работа - разработка урока.
Итоговые работы, сопровождаемые справками из учебного заведения (актами о внедрении), должны быть направлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2005 г.

Лекция № 5. Генетический код

В прошлой лекции мы говорили о том, что все реакции в живых организмах осуществляются под действием ферментов, и именно способность ферментов сопрягать реакции дает возможность клеткам синтезировать биополимеры за счет энергии гидролиза АТФ.

В случае простых линейных гомополимеров для такого синтеза достаточно одного фермента. Для синтеза полимера, состоящего из двух чередующихся мономеров, необходимо два фермента, трех – три и т.д. Если полимер разветвлен, необходимы дополнительные ферменты, образующие связи в точках ветвления. Таким образом, в синтезе некоторых сложных полимеров участвует более десяти ферментов, каждый из которых отвечает за присоединение определенного мономера в определенном месте и определенной связью.

Однако при синтезе нерегулярных гетерополимеров с уникальной структурой, таких как белки и нуклеиновые кислоты, такой подход в принципе невозможен. Фермент может присоединить определенную аминокислоту, но не может определить, в каком месте полипептидной цепи ее надо поставить. В этом и состоит основная проблема биосинтеза белков, решение которой невозможно при использовании обычного ферментативного аппарата. Необходим дополнительный механизм, использующий некий источник информации о порядке аминокислот в цепи.

Для решения этой проблемы Н.К. Кольцов предложил матричный механизм синтеза белков. Он считал, что молекула белка является основой, матрицей, для синтеза таких же молекул, т.е. против каждого аминокислотного остатка в полипептидной цепи ставится такая же аминокислота в синтезируемой новой молекуле. Эта гипотеза отражала уровень знаний той эпохи, когда все функции живого связывались с определенными белками.

Позднее выяснилось, что веществом, хранящим генетическую информацию, являются нуклеиновые кислоты. Прежде всего, оказалось, что хромосомы, в которых находятся гены, содержат всю клеточную ДНК. Затем было обнаружено, что при вирусной инфекции внутрь зараженной клетки проникает только вирусная ДНК, а затем в клетке образуются вирусные белки. Более того, чистая ДНК или РНК вируса способна вызывать инфекцию клеток с последующим образованием полноценных вирусных частиц.

Но наиболее очевидным доказательством роли ДНК в наследственности были работы по генетической трансформации. Первоначально было обнаружено, что убитые бактерии одного штамма могут передавать свои наследственные свойства живым бактериям другого штамма. Это явление получило название «генетическая трансформация». Далее были предприняты попытки получить определенную фракцию веществ, передающую эти свойства. Ни полисахариды, ни липиды, ни белки не вызывали генетической трансформации. Трансформирующей активностью обладала только фракция, содержащая ДНК.

Однако используемые в то время методы не позволяли получить чистую ДНК, поэтому возникло сомнение, не вызывают ли трансформацию белки, прочно связанные с ДНК. Тогда исследователи разрушили в убитых бактериях ДНК с помощью специфического фермента ДНКазы. После этого трансформирующая активность исчезла, хотя белки остались. Таким образом была доказана генетическая роль ДНК.

У всех организмов, имеющих клеточное строение, ДНК является единственным местом хранения генетической информации. У некоторых вирусов генетическая информация хранится в молекулах РНК.

Так как все функции клеток и организма в целом определяются набором белков, обеспечивающих образование характерных структур, синтез необходимых веществ, протекание различных процессов жизнедеятельности, то в геноме должна содержаться информация о последовательности аминокислот во всех белках организма, времени их синтеза, необходимых количествах и месте нахождения в клетке или в организме в целом.

Такая информация может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом – в виде последовательности нуклеотидов. Сначала мы рассмотрим, как в этой последовательности записана последовательность аминокислот в белках.

Логично предположить, что, поскольку последовательности нуклеотидов и аминокислот линейны, то между ними существует линейное соответствие, т.е. расположенным рядом нуклеотидам в ДНК соответствуют расположенные рядом аминокислоты в полипептиде. На это же указывает линейный характер генетических карт. Доказательством такого линейного соответствия, или коллинеарности, является совпадение линейного расположения мутаций на генетической карте и аминокислотных замен в белках мутантных организмов.

ДНК построена из 4 видов нуклеотидов, а белки – из 20 видов аминокислот. Таким образом возникает проблема перевода 4-буквенной записи информации в ДНК в 20-буквенную запись информации в белках. Соотношения, на основе которых осуществляется такой перевод, называются генетическим кодом. Первым проблему генетического кода теоретически рассмотрел выдающийся физик Георгий Гамов. Ряд его выводов в дальнейшем блестяще подтвердились, другие же оказались неверными, но поставленные им вопросы привели к поискам других, верных, решений.

Прежде всего встает вопрос о кодовом числе. Для того, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов. Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 16 различных комбинаций (42). Этого недостаточно. Комбинаций из трех нуклеотидов будет уже 64 (43), т.е. значительно больше, чем нужно. Понятно, что комбинации из большего числа нуклеотидов тоже могли бы быть использованы, но из соображений простоты и экономии материала они маловероятны, т.е. код должен быть триплетным.

В случае 64 комбинаций возникает вопрос: все ли комбинации кодируют аминокислоты, или каждой аминокислоте соответствует только один триплет нуклеотидов? Во втором случае большая часть триплетов была бы бессмысленной, а замены нуклеотидов в результате мутаций в 2/3 случаев приводили бы к потере белка. Это не соответствовало наблюдаемым частотам, что указывало на использование всех или почти всех триплетов.

В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислоты. Они служат для того, чтобы обозначать конец полипептидной цепочки. 61 триплет кодирует различные аминокислоты, т.е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью.

Вырожденность имеет место только в направлении от аминокислот к нуклеотидам, в обратном направлении код однозначен, т.е. каждый триплет кодирует одну определенную аминокислоту.

Важный вопрос, решить который теоретически оказалось невозможным, – каким образом триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, отделяются друг от друга, т.е. есть ли в генетическом тексте знаки препинания?

Остроумные эксперименты Крика и Бреннера позволили ответить на этот вопрос. Они использовали мутации, возникающие под действием акридиновых красителей. Эти вещества связываются с молекулами ДНК и при их удвоении вызывают появление дополнительных нуклеотидов.

Представим себе, что у нас имеется генетический текст, построенный из повторяющейся тройки нуклеотидов (рис. 1а). В случае если знаков препинания нет, вставка одного нуклеотида приведет к полному искажению текста (рис. 1б). Были получены мутации бактериофага, расположенные на генетической карте близко друг от друга. При скрещивании двух фагов, несущих такие мутации, возникал гибрид, несущий две вставки (рис. 1в). Понятно, что смысл текста терялся и в этом случае. Если же ввести еще одну вставку, то после короткого неправильного участка смысл восстановится, и есть шанс получить функционирующий белок (рис. 1г).

Это верно для триплетного кода при отсутствии знаков препинания. Если кодовое число другое, то и количество необходимых для восстановления смысла вставок будет другим. Если же в коде есть знаки препинания, то вставка нарушит чтение только одного триплета, а весь остальной белок будет синтезироваться правильно и сохранит активность.

а) САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ

б) СGА ТСА ТСА ТСА ТСА ТСА ТСА ТСА ТСА ТСА

в) СGА ТGС АТС АТС АТС АТС АТС АТС АТС АТС АТС

г) СGА ТGС АGТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ САТ

Рис. 1

Эксперименты показали, что вставки всегда приводят к исчезновению белка, а восстановление достигается соединением трех вставок. Таким образом была доказана триплетность генетического кода и отсутствие внутренних знаков препинания.

Рассматривая возможности взаимодействия аминокислот и нуклеотидов, Гамов обратил внимание на то, что они имеют близкие линейные размеры вдоль полимерной цепи. Из этого он сделал вывод, что аминокислоты в процессе синтеза будут слишком удалены друг от друга, если триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, не будут перекрываться. Поэтому Гамов предположил, что код должен быть перекрывающимся, т.е. первый, второй и третий нуклеотиды колируют первую аминокислоту, второй, третий и четвертый – вторую аминокислоту, третий, четвертый и пятый – третью и т.д.

Такая гипотеза создавала видимость решения пространственных затруднений, но при этом возникали другие проблемы. При таком кодировании за данной аминокислотой не могла идти любая другая, так как в кодирующем ее триплете два первых нуклеотида уже были определены, и число возможных триплетов снижалось до четырех. Анализ последовательностей аминокислот в белках показал, что встречаются все возможные пары соседних аминокислот, т.е. код должен быть неперекрывающимся.

Еще одним свойством генетического кода, постулированным из теоретических соображений, является его универсальность. Подразумевается, что все виды живых организмов произошли в результате эволюции от одного общего предка, поэтому они имеют одинаковый генетический код. Это положение в основном подтвердилось дальнейшими исследованиями. Оно имеет большое практическое значение, т.к. благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом и производить функционально активные белки. Это позволяет с помощью методов генетической инженерии получать в бактериях белки человека, нужные для медицинских целей, например инсулин или гормон роста.

Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной. Известно несколько генетических систем, в которых генетический код немного отличается от универсального. Прежде всего, это митохондрии. Кроме того, отклонения от универсального генетического кода найдены у некоторых инфузорий и паразитических бактерий.

Когда основные свойства генетического кода были изучены, начались работы по его расшифровке. Для этого синтезировали искусственные нуклеиновые кислоты, содержащие короткие (2 или 3 нуклеотида) повторяющиеся блоки. Затем их использовали в качестве матрицы для синтеза белка и смотрели, какие аминокислоты включаются в полипептид.

Например, полинуклеотид, содержащий только урацил, вызывал синтез полифенилаланина, а повторяющаяся тройка UАC – синтез политирозина. Из этого следовало, что триплет UUU кодирует фенилаланин, а триплет UАC – тирозин. Таким образом были определены значения всех триплетов (рис. 2).

Генетический код. Соответствие кодонов мРНК и аминокислот

Первое положение
(5'-конец)

Второе положение

Третье положение
(3'-конец)

U

C

A

G

U

Phe
Phe
Leu
Leu

Ser
Ser
Ser
Ser

Tyr
Tyr
Stop
Stop

Cys
Cys
Stop
Trp

U
C
A
G

C

Leu
Leu
Leu
Leu

Pro
Pro
Pro
Pro

His
His
Gln
Gln

Arg
Arg
Arg
Arg

U
C
A
G

A

Ile
Ile
Ile
Met

Thr
Thr
Thr
Thr

Asn
Asn
Lys
Lys

Ser
Ser
Arg
Arg

U
C
A
G

G

Val
Val
Val
Val

Ala
Ala
Ala
Ala

Asp
Asp
Glu
Glu

Gly
Gly
Gly
Gly

U
C
A
G

Рис. 2

Триплет, кодирующий определенную аминокислоту, получил название «кодон». Для некоторых аминокислот, например метионина, существует только один кодон. Другие имеют по два кодона (фенилаланин, тирозин). Есть аминокислоты, которые кодируются тремя, четырьмя и даже шестью кодонами.

Кодоны одной аминокислоты похожи друг на друга и, как правило, отличаются одним последним нуклеотидом. Это делает генетический код более устойчивым, так как замена последнего нуклеотида в кодоне при мутациях не ведет к замене аминокислоты в белке.

Знание генетического кода позволяет нам, используя известную последовательность нуклеотидов в гене, определять последовательность аминокислот в белке, что широко используется в современных исследованиях.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Чем биосинтез белков отличается от биосинтеза полисахаридов и что у них общего?

2. Сколько ферментов необходимо для синтеза линейного полисахарида, состоящего из четырех чередующихся моносахаридов?

3. Если бы одна аминокислота кодировалась двумя нуклеотидами, сколько аминокислот можно было бы закодировать?

4. Что является доказательством генетической функции ДНК?

5. Каковы основные свойства генетического кода?

Литература

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. – М.: Мир, 1980.

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru