КНОРРЕ_3227

20__________ Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции

и соответственно dNMP, dNDP, dNTP для дезоксирибонуклеотидов. В случае конкретных нуклеотидов буква N заменяется однобуквенным символом соответ­ ствующего нуклеозида. Например, аденозин-5’-трифосфат обозначают как АТР. Для мононуклеотидов также используют упрощенные наименования. Например, аденозин-5’-трифосфат называют аденилатом, а соответствующую кислоту - адениловой кислотой. При дальнейшем изложении авторы повозможности будут избегать использования таких наименований.

В зависимости от числа мономерных звеньев, формирующих полимерную цепь, принято называть такие полимеры либо полинуклеотидами, либо оли­ гонуклеотидами. Обычно олигонуклеотидами считают полинуклеотиды, со­ стоящие из небольшого числа десятков или менее десяти остатков нуклеоти­ дов. Если олигонуклеотиды имеют определенное число нуклеотидных остат­ ков, то их называют соответственно ди-, три-, тетрануклеотидами и т. д.

§ 1.3. Комплементарные последовательности нуклеотидов

Главным свойством живых организмов является размножение, т. е. вос­ произведение себе подобных. У одноклеточных организмов - бактерий, дрожжей, инфузорий и др. - размножение происходит путем деления клеток. Чтобы из одной родительской клетки образовалось две одинаковых дочер­ них, в основном идентичных родительской, делению должно предшествовать удвоение всех основных компонентов клетки, в том числе ее белков

инуклеиновых кислот. В первую очередь должна удвоиться ДНК, чтобы

вобеих дочерних клетках оказались программы для образования всех свойст­ венных родительской клетке белков и нуклеиновых кислот. Способность ДНК к самоудвоению обеспечивается ее строением. У всех живых организ­ мов ДНК находится в виде двух, нековалентно связанных между собой полинуклеотидных цепей. При этом информация, содержащаяся в одной из цепей, полностью дублирована во второй цепи. Это обеспечивается замечательным свойством нуклеотидов - способностью в составе ДНК к высокоселективным взаимодействиям между гетероциклическими основаниями: dA обладает спо­ собностью избирательно связываться с dT, a dG - с dC. Физико-химические основы этой избирательности рассматриваются в § 4.1. Любая последова­ тельность нуклеотидов имеет определенное направление, а следовательно вся полимерная цепь имеет два различных конца. В соответствии с деталями хи­ мического строения нуклеотидов один из концов обозначают как 5’-конец, а противоположный - как 3’-конец. В дальнейшем направление цепи либо бу­ дет указываться, либо просто будет подразумеваться, что слева находится 5’- конец, а справа - 3’-конец. В соответствии со сказанным могут существовать протяженные последовательности, которые располагаются так, что против каждого нуклеотида одной последовательности окажется селективно взаимо­ действующий с ним нуклеотид другой последовательности. Такие последова­ тельности называются комплементарными.

При этом для подобного взаимодействия направления цепей должны быть противоположными (антипараллельными). Пары нуклеотидов, образующие комплементарные структуры, можно обозначить как dA• dT, dG*dC. Комплекс, образованный двумя комплементарными цепями ДНК или ее фрагментами - олигонуклеотидами, называют дуплексом. Принцип комплементарности был сформулирован и обоснован в 1953 году Нобелевскими лауреатами американским ученым Джеймсом Уотсоном и английским ученым Френсисом Криком. Комплементарность обеспечивает дублирование информации о последовательности нуклеотидов одной цепи в другой комплементарной цепи, поскольку между последовательностями нуклеотидов в комплементарных цепях существует взаимнооднозначное соответствие. Поэтому если две цепи исходного (родительского) дуплекса разошлись, то каждая из них способна управлять построением из мономеров комплементарной (дочерней) цепи, что в итоге приведет к воссозданию двух дуплексов, идентичных исходному. Процесс удвоения молекул ДНК может быть представлен в виде схемы (рис. 2).

(5’)-dA-dT-dC-dC-dG-dC-dC-dT-dA-dG-dC-dC-dA-dA-dA-dA-dA-(3')

I I I I I I I I I I I I I I I I I

(S'HT-dA-dG-dG-dC-dG-dG-dA-dT-dC-dG-dG-dT-dT-dT-dT-dT-fS')

родительская нить

(5')-dA-dT-dC-dC-dG-dC-dC-dT-dA-dG-dC-dC-dA-dA-dA-dA-dA-(3')

I I I I I I I I I I I I I I I I I

(3)-dT-dA-dG-dG-dC-dG-dG-dA-dT-dC-dG-dG-dT-dT-dT-dT-dT-(5)

дочерняя нить

+

дочерняя нить

(5)-dA-dT-dC-dC-dG-dC-dC-dT-dA-dG-dC-dC-dA-dA-dA-dA-dA-(3)

| i i i i i i i i i i i i i i i i

(3')-dT-dA-dG-dG-dC-dG-dG-dA-dT-dC-dG-dG-dT-dT-dT-dT-dT-(5')

родительская нить

Рис. 2. Схема удвоения ДНК. Вертикальными черточками обозначены водород­ ные связи, скрепляющие комплементарные пары нуклеотидов (§ 4.1); жирным шриф­ том - родительские нити; курсивом - дочерние нити

В соответствующих условиях может произойти разделение нитей, обра­ зующих дуплекс, и каждая из образовавшихся нитей может исполнять роль матрицы для синтеза с помощью ДНК-полимеразы новых комплементарных полинуклеотидных цепей. Таким образом, может начаться практически неог­ раниченное размножение дуплексов, и это размножение лежит в основе вос­ производства простейших одноклеточных организмов.

22__________ Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции

§ 1.4. Прокариоты и эукариоты. Хромосомы и хроматин

Все живые организмы разделяют на две основные группы - прокариоты и эукариоты. У первой ДНК представлена одной двунитевой структурой, как правило, кольцевой, которая практически не обособлена от остальной части клетки. К прокариотам относятся разнообразные бактерии. Эукариотами яв­ ляются многие более сложно организованные одноклеточные организмы, та­ кие как дрожжи и инфузории, и все без исключения многоклеточные вплоть до человека. Клетки эукариот содержат четко оформленное клеточное ядро, в котором сосредоточена подавляющая часть ДНК. При этом ДНК распределе­ на по нескольким структурам, число которых зависит от природы живого ор­ ганизма и которые называют хромосомами.

ДНК в составе хромосом не находится в свободном состоянии. Она суще­ ствует в виде комплекса с набором белков небольшого размера, богатых ос­ татками лизина и аргинина - гистонов, которые обозначают буквой Н, снаб­ женной цифрами. Комплексы определенных относительно небольших участ­ ков ДНК с набором гистонов HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4 называются нуклеосо-

Большинство клеток содержит двойной набор хромосом (диплоидные клет­ ки). Например, клетки человека содержат набор из 23 пар хромосом. Одинар­ ный набор характерен для половых клеток - сперматозоидов и яйцеклеток (гаплоидные клетки), и эти наборы сливаются при оплодотворении. После этого все развитие организма идет с сохранением двойного набора и исклю­ чением является лишь последний этап созревания половых клеток, когда двойной набор распределяется пополам по двум созревшим сперматозоидам или яйцеклеткам. По-видимому, в пределах каждой хромосомы ДНК пред­ ставлена одним непрерывным дуплексом гигантского размера - каждая из цепей может содержать сотни миллионов нуклеотидов. Всего же на 23 хро­ мосомы одинарного набора у человека приходится около 3 миллиардов пар нуклеотидов. Помимо основной молекулы ДНК у прокариот и распределен­ ных по хромосомам ДНК у эукариот, клетки могут содержать дополнитель­ ные ДНК, программирующие одну или несколько функций. Такие ДНК назы­ вают плазмидами.

Взаимодействия, формирующие комплементарные комплексы, характерны и для рибонуклеиновых кислот. Если обозначить рибонуклеотиды буквами, соот­ ветствующими названиям гетероциклов, т. е. A, G, С и U, то пары, образуемые рибонуклеотидами между собой, можно изобразить как A*U и G*C. Такие же взаимодействия могут иметь место между одним рибо- и одним дезоксирибонуклеотидом: A*dT, dA*U, G*dC или dG*C. Поэтому в случае комплемен­ тарных последовательностей возможно образование дуплексов между двумя мо­ лекулами РНК или ее фрагментами и образование смешанных дуплексов, одна нить которых является молекулой или фрагментом ДНК, а другая соответст­ венно РНК.

§ 1.5. Матричные ферменты. Репликация ДНК

Поскольку присоединение каждой следующей молекулы мономера к рас­ тущей дочерней цепи представляет собой химическую реакцию, то процесс требует участия специального фермента, который известен как ДНКполимераза. Этот фермент относится к категории наиболее сложных так на­ зываемых матричных ферментов. ДНК-полимераза не только способна ката­ лизировать образование новой фосфодиэфирной связи между нуклеотидом и растущей полинуклеотидной цепью, но на каждом шаге выбирает из четырех мономеров такой, который комплементарен очередному нуклеотиду управ­ ляющей ДНК. Процесс синтеза комплементарной дочерней цепи ДНК на од­ ной из родительских цепей называют репликацией. Термин «матричный» ос­ тался по наследству от первых наивных представлений, когда сборку новой копии ДНК представляли по аналогии с печатанием на бумаге текстов, на­ бранных на типографских матрицах. На самом деле ДНК, управляющая син­ тезом новой, комплементарной ей цепи, протягивается через ДНКполимеразу, и систему скорее следует уподобить магнитофону, который про­ тягивает через себя магнитофонную ленту, превращая информацию, записан­ ную на ленте, в звуковые сигналы.

Перед началом собственно репликации должно произойти расплетение двунитевой структуры. Участок, где происходит расплетение нитей роди­ тельской ДНК, называется вилкой репликации. На каждой из разошедшихся нитей с помощью ДНК-полимеразы происходит синтез новой (дочерней) комплементарной цепи. Поскольку разошедшиеся нити антипараллельны, а синтез новых дочерних цепей всегда идет от 5’-конца к 3’-концу, то рост одной из новых цепей происходит по направлению к вилке репликации, а рост другой - в противоположном направлении. Первая может беспрепят­ ственно удлиняться по мере расплетения родительской ДНК. Вторая дочер­ няя нить должна начать образовываться в какой-то части уже расплетенной ДНК, и ее синтез будет идти в направлении от вилки репликации. Только по­ сле того, как в результате расхождения цепей родительской ДНК на этой ни­ ти освободится достаточно протяженный однонитевой участок, может на­ чаться синтез нового фрагмента дочерней цепи, который будет проходить до тех пор, пока не достигнет 5’-конца ранее синтезированного фрагмента. В итоге дочерняя нить, синтезирующаяся в направлении от вилки реплика­ ции, хотя и будет образовывать полный дуплекс с родительской нитью, но будет состоять из отдельных цепочек (фрагменты Оказаки), которые не со­ единены фосфодиэфирной связью. Чтобы завершить синтез полноценного дуплекса, необходимо образовать недостающие связи - соединить (сшить) между собой отдельные фрагменты Оказаки. Это осуществляется с помощью специального фермента - ДНК-лигазы, механизм действия которой описыва­ ется в § 16.2. Схема процессов в районе вилки репликации представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема биосинтеза ДНК в области вилки репликации. Прямоугольниками на реплицируемых нитях изображены сайты инициации репликации, стрелками от­ мечены З’-концы синтезируемых фрагментов

Разделение двух цепей ДНК требует определенных энергетических затрат и катализируется специальными ферментами геликазами, которые могут пе­ ремещаться вдоль двунитевой ДНК, причем каждое перемещение сопровож­ дается гидролизом одной пирофосфатной связи в молекуле АТР.

§ 1.6. РНК-полимеразы. Транскрипция

Как уже говорилось, ДНК является носителем информации о структуре всего набора белков, характерных для определенного вида живого организма, т. е. в ней закодирована информация обо всех аминокислотных последова­ тельностях белков данного организма. Но сборкой белков из аминокислот ДНК непосредственно не управляет. Для этого существуют посредники в ви­ де молекул РНК, которые синтезируются при непосредственном участии ДНК. Эти РНК принято обозначать как мессенджер РНК, сокращенно мРНК (messenger - посыльный). Такие молекулы комплементарны определенному участку одной из нитей ДНК, несущему информацию о структуре какоголибо из подлежащих синтезу белков.

Синтез новых молекул РНК осуществляется с помощью специального матричного фермента - РНК-полимеразы. Присоединение каждого следую­ щего мономера к растущей полимерной цепи РНК осуществляется с участием

26Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции

§1.7. Трансляция и генетический код

Основной универсальной функцией РНК является управление синтезом новых молекул белка. Последовательность рибонуклеотидов в мРНК перево­ дится в последовательность аминокислот создаваемой белковой молекулы. Этот процесс называется трансляцией (от англ. translation). Существует спе­ циальный код, приводящий в соответствие последовательности нуклеотидов в РНК в аминокислотные последовательности. Из очевидных арифметиче­ ских соображений ясно, что минимум три нуклеотида РНК должны кодиро­ вать одну аминокислоту. Кодирования динуклеотидами недостаточно - из четырех нуклеотидов можно построить всего 42 = 16 упорядоченных комбина­ ций, что недостаточно для 20 аминокислот. Различных тринуклеотидов можно построить 43 = 64, что создает даже определенную избыточность.

Закон соответствия между тринуклеотидами и аминокислотами называет­ ся генетическим кодом. Эти тририбонуклеотиды называют кодонами. На­ пример, аминокислоте фенилаланин соответствуют кодоны UUU и UUC. В табл. 1 представлена вся структура генетического кода.

Из 64 возможных кодонов 61 соответствует разным аминокислотам, при­ чем число кодонов, приходящихся на одну аминокислоту, варьирует от 1 до 6 . Три кодона - UAA, UAG и UGA - никаким аминокислотам не соответствуют

иявляются сигналами для прекращения дальнейшего роста (терминации) полипептидной цепи. Их называют кодонами-терминаторами или стопкодонами.

Новые молекулы белка собираются на чрезвычайно сложно устроенных частицах, называемых рибосомами. Они состоят из нескольких молекул РНК

инескольких десятков разных белков, которые соответственно называют ри-

босомными РНК (сокращенно рРНК) и рибосомными белками. Частицы, со­ стоящие из молекул белка и молекул нуклеиновых кислот, называют нуклеопротеидами. Интересно и очень важно для работы рибосом, что их компо­ ненты сгруппированы в две легко отделяемые друг от друга частицы (рибосомные субчастицы) разного размера, которые соответственно называют большой и малой субчастицами. Их принято характеризовать значениями

(округленными) соответствующих констант седиментации, выраженных в единицах Сведберга (S), характеризующих скорость, с которой частица пе­ ремещается в центробежном поле, создаваемым ультрацентрифугой. У про­ кариот, в частности у наиболее детально исследованных рибосом кишечной палочки Escherichia coli, субчастицы обозначаются соответственно 50S и 30S. У эукариот эти субчастицы существенно больше и обозначаются как 60S и 40S. Что делает в рибосоме огромное количество разных белков, еще дале­ ко не полностью установлено, и их чаще всего просто обозначают номерами, снабженными буквой S (small), если они находятся в малой, и буквой L (large), если они принадлежат большой субчастице. Каждая из субчастиц содержит по одной большой молекуле РНК, которые с использованием тех же единиц обозначаются соответственно 23S и 16S для рРНК прокариот и 28S и 18S для рРНК эукариот. Эти РНК, в отличие от мРНК, не кодируют каких-либо аминокислотных последовательностей. Большие субчастицы про­ кариот кроме того содержат одну молекулу небольшой 5S РНК, а большие субчастицы эукариот - 5S и 5.8S РНК.

28Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции

Вбиосинтезе белка на рибосомах участвуют не сами аминокислоты, а со­ ответствующие аминоацил-тРНК - продукты их присоединения к сравни­ тельно небольшим специальным молекулам, транспортным РНК (тРНК). При этом каждой из двадцати аминокислот соответствует своя тРНК, а иногда и несколько разных тРНК. мРНК на рибосоме на каждой стадии удлинения создаваемой белковой цепи непосредственно отбирает не аминокислоту, а ту тРНК, к которой она присоединилась перед поступлением на рибосому. Это присоединение происходит с помощью специальных ферментов - аминоацил- тРНК-синтетаз, которые узнают одну определенную аминокислоту и одну или несколько соответствующих этой аминокислоте тРНК.

Вотличие от остальных аминоацильных фрагментов, селеноцистеинилтРНК образуется не из свободной аминокислоты, а из специфической серилтРНК, которой соответствует кодон UGA, являющийся в первую очередь ко­ доном-терминатором. После образования серил-тРНК остаток серина при действии специальных ферментов превращается в остаток селеноцистеина.

NH2-C H -C O -tR N A Sec----- ► NH2-CH -CO -tRNASec— ► N H ,-C H -C O -tR N A Sec

Сама трансляция происходит в результате взаимодействия кодонов с пол­ ностью или частично комплементарными тринуклеотидами, находящимися в определенном участке тРНК, которые называют антикодонами. Например, тРНК, связывающая аминокислоту фенилаланин, имеет антикодон (3’)AAG(5’), полностью комплементарный кодону UUC и частично компле­ ментарный кодону UUU.

Из сказанного выше ясно, что помимо мРНК живым организмам необхо­ димы и другие молекулы РНК, прежде всего рибосомные и транспортные. Они также получаются путем транскрипции с помощью РНК-полимераз. При этом у эукариот имеется три разных РНК-полимеразы, одна из которых ката­ лизирует синтез рибосомных РНК (РНК-полимераза I), вторая - синтез мРНК (РНК-полимераза II), а третья (РНК-полимераза III) - синтез транспортных РНК и ряда других небольших РНК (малые ядерные РНК или small nuclear, snPHK), необходимых для некоторых других процессов. Последовательности этих РНК должны быть запрограммированы в ДНК. Однако содержащаяся в ДНК информация не исчерпывается последовательностями, кодирующими структуры определенных мРНК и структуры рРНК, тРНК и snPHK, прини­ мающих участие в некоторых промежуточных превращениях мРНК. Уже се­ годня можно предполагать, что она значительно богаче, а, по-видимому, мно­ гое еще вообще не известно.

Для создания определенной РНК необходимо, чтобы транскрипция нача­ лась в определенной точке огромной молекулы ДНК. Здесь должна оказаться и расположиться нужным для транскрипции образом РНК-полимераза. Для этого существует специальная область, чаще всего расположенная перед ко­

дирующей последовательностью. Ее роль состоит в том, чтобы связать и ори­ ентировать определенным образом РНК-полимеразу. Эту область, если она расположена вдоль цепи близко от начала старта транскрипции, называют промотором. Наряду с промотором в выборе участков ДНК, существенных для начала (инициации) транскрипции, часто важную роль играют участки транскрибируемой ДНК, весьма удаленные (на тысячи или даже десятки ты­ сяч остатков нуклеотидов) от стартовой точки транскрипции. Эти участки принято называть энхансерами. У эукариот РНК-полимеразы не узнают непо­ средственно промоторы. Это взаимодействие опосредовано дополнительны­ ми белками, известными под общим названием факторы транскрипции. Для каждой из трех РНК-полимераз имеется свой набор факторов транскрипции, в связи с чем их обозначают TFI, TFII TFIII с соответствующими большими латинскими буквами (например, TFIIA, TFIIB).

Из сказанного видно, что ДНК как минимум содержит информацию, не­ обходимую для синтеза белков и рибонуклеиновых кислот. Участки ДНК, содержащие эту информацию вместе со всеми вспомогательными участками (промоторами, энхансерами и др.) и ответственными за реализацию этой ин­ формации, называют генами, а процесс реализации такой информации - экс­ прессией этих генов. При репликации ДНК иногда происходят ошибки, кото­ рые могут привести к изменению содержащейся в ДНК информации или к ее потере. Возникновение таких наследуемых изменений называется мутацией. Это может привести к различным биологическим последствиям. В отдель­ ных, очень редких, случаях биологический организм получает полезные свойства, и мутации оказываются движущей силой эволюции. Однако в большинстве случаев эти изменения нежелательны или вообще недопусти­ мы. Поэтому у живых организмов имеются специальные системы исправле­ ния мутаций (репарации).

§ 1.8. Посттранскрипционные и пострепликационные превращения нуклеиновых кислот

Полипептиды и полинуклеотиды, образующиеся при матричном биосин­ тезе, далеко не всегда готовы к выполнению своих биологических функций. В большинстве случаев для получения биологически активного биополимера они должны подвергнуться химической модификации. Особенно многооб­ разны процессы модификации, которым подвергаются полипептидные цепи, образовавшиеся при трансляции мРНК. Эти процессы получили название посттрансляционной модификации. Они будут рассмотрены в § 7.4.

Нескольким важным процессам модификации подвергаются образовав­ шиеся при транскрипции полирибонуклеотиды (посттранскрипционная мо­ дификация). Среди них можно выделить две основные группы процессов. Вопервых, существенному превращению подвергаются полирибонуклеотиды у эукариот при образовании мРНК, рибосомных, транспортных и некоторых