Генетический код и его свойства. Строение и роль хромосом. Понятие гена и гистона

Генетическая информация о синтезе белков содержится в молекулах ДНК и закодирована с помощью кода, получившего название генетического. Код, его структура и свойства были открыты в 60-х годах.

Структура генетического кода характеризуется тем, что он является триплетным, т. е. состоит из триплетов (троек) азотистых оснований ДНК, получивших название кодонов. Из 64 (4х4х4) возможных сочетаний нуклеотидов (кодонов) 61 является кодирующим, кодируя место аминокислоты в полипептидах. Три кодона, не кодируя места аминокислот в полипептиде, детерминируют лишь остановку синтеза полипептида. Поэтому они названы стоп-кодонами или, иногда, терминирующими кодонами. Итак, один кодон кодирует место одной аминокислоты в полипептидной цепи.

Что касается свойств генетического кода, то их несколько. Код является неперекрывающимся, линейным, не имеющим пунктуации («запятых»), обеспечивающей свободные пространства между кодонами, и вырожденным.

Неперекрываемость генетического кода означает, что любое азотистое основание является членом только одного кодона. Ни одно азотистое основание не входит одновременно в два кодона. Например, в последовательности ААГАУАГЦА имеется три кодона ААГ, АУА, ГЦА, но не перекрывающиеся кодоны ААГ, АГА, ГАУ и т. д.

Код является линейным по той причине, что молекулы ДНК являются линейными полимерами. Кодоны в виде триплетов азотистых оснований следуют вдоль молекулы ДНК без перерывов в направлении от 5'-конца к З'-концу, причем между кодонами нет свободных пространств, нет пунктуации.

Вырожденность кода определяется тем, что место в полипептиде одной и той же аминокислоты может кодироваться одновремен­но несколькими кодонами, но не совместно, а раздельно. Это распространяется на все аминокислоты, кроме метионина и триптофана, которым соответствуют одиночные кодоны (рис. 135).

Генетический код – последовательность триплетов нуклеотидов в цепочке ДНК, несущей информацию о структуре белка; свойства – триплетен, универсален, не перекрывается.

Ген – участок ДНК, содержащий информацию, необходимую для создания специфической последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Генотип – комплекс генов (закодированная в них информация), полученных организмом от родителей. Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора организма данного вида.

Хромосомы располагаются в ядре. Их название введено в литературу В. Вальдейлом в 1883 г. Имеют форму палочек, нитей, петель. Для каждой хромосомы характерны индивидуальные особенности, касающиеся длины и положения перетяжки (центромеры) по длине хромосомы. Каждая из митотических индивидуальных хромосом состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых центромерой. В зависимости от локализации центромер различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические и телоцентрические хромосомы. Количество хромосом постоянно в ядрах соматических клеток, где они находятся в парах. Диплоидный набор хромосом называют кариотипом. Для разных организмов характерны разные по количеству диплоидные наборы хромосом. В зависимости от строения хромосомы человека классифицируют на группы.

Когда ядра соматических метафазных клеток окрашивают основными красителями, то при микроскопии препаратов в ядерной зоне обнаруживают глыбки и гранулы окрашенного вещества, получившего название хроматина. Именно из этого вещества во время деления клеток организуются хромосомы. При изучении таких микроскопических препаратов отмечают, что некоторые районы хромосом окраше­ны очень интенсивно, другие слабее. Интенсивно окрашивающийся хроматин получил название гетерохроматина, менее окрашивающийся – эухроматина. Последний содержит области, на которых очень активно синтезируется РНК. Исследование хромосом типа ламповых щеток, содержащихся в овоцитах многих животных и долитенных хромосомах, обнаруживаемых в клетках насекомых, показало, что они имеют петельную структуру. Эта структура характерна, вероятно, для организации хроматина у всех организмов.

В клетках многих видов организмов гетерохроматин концентрируется в основном в районах, фланкирующих центромеры.

Половые хромосомы часто почти полностью представлены гетерохроматином. Гетерохроматином богаты районы повторов последовательностей ДНК.

Когда гетерохроматин исследуют под электронным микроско­пом, то отмечают, что он построен из плотноупакованных хроматиновых нитей диаметром 25 нм. Эухроматин составлен из менее плотноупакованных нитей, но такого же диаметра. Гетерохроматин сохраняется в высококонденсированной форме на протяжении всего клеточного деления, тогда как эухроматин менее конденсирован и невидим в интерфазе при исследовании хромосом в свето­вом микроскопе. Имеющиеся данные показывают, что большин­ство исследованных генов эукариот локализовано в эухроматиновых (менее конденсированных) районах хромосом, тогда как гетерохроматин (высококонденсированный) генетически не активен.

Химический состав хроматина довольно прост. Он состоит из ДНК (15%), белков (75%), а также некоторого количества РНК (10%). Различают хромосомные белки двух типов – основные белки (по­ложительно заряженные при нейтральном рН), называемые гистонами, и гетерогенные белки, по большей части кислые (отрицательно заряженные при нейтральном рН), называемые негистоновыми. Молекулярная масса гистонов составляет 11 000-21 000. Гистоны являются основными белками по той причине, что содержат пози­тивно заряженные аминокислоты аргинин и лизин в количестве от 20% до 30% аминокислотных остатков белка. Группы R аргинина и лизина позволяют гистонам действовать в качестве поликатионов и взаимодействовать с ДНК, которая является полианионной благода­ря ее отрицательно заряженным фосфатным группам. Другими словами, по причине протонирования боковых групп R-остатков аргинина и лизина гистоны, соединяясь с отрицательно заряженной двухцепочечной ДНК, образуют комплексы ДНК-гистоны.

Гистоны присутствуют в хроматине всех высших эукариотов в количествах, эквивалентных количествам ДНК. У всех высших растений и животных они представлены пятью главными белками, обозначенными символами HI, Н2а, Н2в, НЗ и Н4. Количество ДНК и гистонов в хромосомах эквивалентно. Они присутствуют в клетках всех типов, кроме сперматозоидов некоторых организмов. В последних обнаруживают основные белки, называемые протаминами. Все пять гистонов присутствуют в молярных соотношениях 1 H1: 2 Н2а: 2 Н2в: 2 НЗ: 2 Н4. Для них характерны различия

до молекулярной массе и аминокислотному составу. Гистон HI богат лизином (29%), гистоны Н2а и Н2в богаты как лизином, так и аргинином, а гистоны НЗ и Н4 богаты аргинином. Для гистонов ДЗ и Н4 характерно сходство последовательностей аминокислот; для других гистонов заметное сходство отсутствует. Данные о константности гистонов Н2а, Н2в, НЗ и Н4 в клетках организмов раз­ных видов позволяют предположить, что гистоны имеют значение в упаковке ДНК. Кроме того, они не специфически вовлечены в регуляцию экспрессии генов (см. гл. XII).

Негистоновая белковая фракция хроматина состоит из различных очень гетерогенных белков. Состав этой фракции широко варьирует в клетках разных организмов даже одного и того же вида. Предполагают, что негистоновые белки также принимают участие в регуляции экспрессии специфических генов.

Каждая хроматина содержит одиночную гигантскую двухцепочечную молекулу ДНК, вытянутую по всей длине хромосомы. Это заключение основано на данных о размерах самых больших моле­кул ДНК в ядрах клеток дрозофилы и других организмов, а также на данных об общем количестве ДНК, присутствующей в самых больших хромосомах дрозофилы. Наиболее крупные молекулы ДНК, выделенные из хромосом, имеют контурную длину порядка 1,2 см, что соответствует молекулярной массе 2,4-3,2 х 1010, т. е. от 8/3 до 3/4 размера самой крупной молекулы соответствующей хромосомы. На концах хромосом человека имеются повторы азотистых основа

ний, получившие название теломер. Количество теломерных повторов свя­зывают с возрастом организма.

Количество ДНК и гистонов в хроматине эквивалентно. Будучи специфи­чески связанными с ДНК, гистоны принимают участие в формировании основных структурных субъединиц хроматина (хромосом) – нуклеосом, которые являются элементарными единицами организации хроматина. Каждая нуклеосома представлена сегментом ДНК диаметром около 30 нм и длиной 146-240 пар оснований, намотанной 1,8 раз вокруг гистонового стержня, состоящего из пары гистонов. Нуклеосома закручена в сложную нить 2 раза при участии гистона H1 в качестве кросслинкера, что дает структуру о упаковочным отношением 25: 1, близким к интерфазному хроматину. Чтобы сформировалась митотическая хромосома из нити длиной 30 нм необходима дальнейшая компактизация с помощью специфических негистоновых белков, приводящая к формированию скелета хромосомы. Установлено, что нуклеосомы являются репрессорами инициации транскрипции в эукариотических клетках. Нарушение струтуры нуклеосом ведет к освобождению транскрипции от репрессии.

В метафазных хромосомах ДНК организуется в петли длиной 30 000-40 000 пар оснований, а каждая петля хроматина прикрепляется к гистоновому скелету хромосомы на его основании в результате воздействия ДНК -1- белок или ДНК + РНК.

Гистон H1 связан с линкерной ДНК, принимая участие в стабилизации сверхскрученных ДНК между нуклеосомами, но способ этой связи полностью еще не выяснен. Длина сегментов ДНК (линкеров), которые соединяют нуклеосомы, составляет от 15 до 100 нуклеотидных пар в зависимости от типа клетки. Результаты Х-дифракции кристаллов изолированных нуклеосом указывают на то, что они имеют дисковидную структуру и состоят из двух симметричных половин. ДНК каждой половины намотана в форме суперспирали на поверхность гистоновых стержней.

Для хромосом характерно наличие отдельных сайтов, которые определают их хрупкость, что создает условия для нарушений структуры хромосом, сопровождающихся хромосомными мутациями.

5. Биосинтез белка

Во всех живых клетках белки синтезируются рибосомами. Рибосома представляет собой крупную макромолекулу со сложной асимметрич­ной четвертичной структурой, построенной из рибонуклеиновых кислот (рибосомных РНК) и белков. Для того чтобы синтезировать белок, рибосома должна быть снабжена а) программой, задающей порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка; б) аминокислотным материалом, из которого надлежит строить белок; в) энергией. Сама рибосома обладает каталитической (энзиматической.) функцией, ответственной за образование пептидных связей и, соответственно, полимеризацию аминокислотных остатков в полипептидную цепь белка.

Программа, задающая порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, исходит от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), т. е. из генома клетки. Отдельные участки двутяжевой ДНК, называемые генами, являются матрицами для синтеза на них однотяжевых цепей РНК. Синтезированные цепи РНК комплементарны одной из цепей ДНК и, таким образом, точно воспроизводят дезоксирибонуклеотидную последовательность другой цепи ДНК в своей рибонуклеотидной последовательности. Процесс такого копирования гена, осуществляемый ферментом РНК-полимеразой, получил название транскрипции. РНК в течение синтеза и после него, особенно в эукариотических клетках, может подвергаться ряду дополнительных изменений, называемых процессингом, в ходе которых из нее могут быть вырезаны определенные куски нуклеотидной последовательности. Получающаяся РНК поступает далее в рибосомы в качестве программы, определяющей аминокислотную последовательность в синтезируемом белке. Она называется информационной или «мессенджер» РНК (мРНК). Таким образом, именно транскрипция генов и образование мРНК обеспечивают поток информации от ДНК к рибосомам.

Исходным материалом, из которого строится белок, являются аминокислоты. Однако свободные аминокислоты не используются рибосомой. Для того чтобы служить субстратом для рибосомы, аминокислота должна быть активирована с участием сопряженного расщепления АТФ и акцептирована (ковалентно присоединена) специальной молекулой РНК, называемой трансферноп или транспортной РНК (тРНК), с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Получающиеся аминоацил-тРНК поступают в рибосому в качестве субстрата для синтеза белка. Кроме того, энергия химической связи между аминокислотным остатком и тРНК используется для реакции образования пептидной связи в рибосоме. Таким образом, активация аминокислот и образование аминоацил-тРНК обеспечивают поток как материала, так и энергии для рибосомного синтеза белка.

Эти три потока (информации, материала и энергии) встречаются в рибосоме. Воспринимая их, рибосома осуществляет перевод, или трансляцию, генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности синтезируемой полипептидной цепи белка. Если представить это в молекулярных терминах, то рибосома последовательно сканирует цепь мРНК (движется вдоль нее) и тоже последовательно выбирает из среды аминоацил-тРНК, в результате чего специфичность амино-ацильного остатка выбираемой рибосомой аминоацил-тРНК каждый раз детерминируется специфичностью комбинации нуклеотидов считываемого в данный момент рибосомой отрезка мРНК. Таким образом, возникает проблема генетического кода: какие комбинации иуклеотидов детерминируют, т. е. кодируют, каждую из 20 аминокислот, из которых строятся молекулы белков?

Движение рибосомы вдоль цепи мРНК (или, другими словами, пропускание цепи мРНК сквозь рибосому) задает строгий временной порядок вхождения в рибосому разных аминоацил-тРНК в соответствии с порядком расположения кодирующих нуклеотидных комби­наций вдоль мРНК. Аминоацильный остаток выбранной аминоацил-тРНК каждый раз ковалентно присоединяется рибосомой к растущей полипептидной цепи. Деацилированная тРНК освобождается из рибосомы в раствор. Так последовательно, шаг за шагом, строится полипептидная цепь белка.

Общая схема биосинтеза белка, изложенная выше, представлена на рисунке

Поиск по сайту: