Центральная догма молекулярной генетики. Центральная догма молекулярной биологии Схема центральной догмы молекулярной биологии

Один ген молекулы ДНК кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке.

Открытие химической основы жизни было одним из величайших открытий биологии XIX века, получившим в XX веке немало подтверждений. В природе нет никакой жизненной силы (см. Витализм), как нет и существенного различия между материалом, из которого построены живые и неживые системы. Живой организм больше всего похож на крупный химический завод, в котором осуществляется множество химических реакций. На погрузочных платформах поступает сырье и транспортируются готовые продукты. Где-то в канцелярии — возможно, в виде компьютерных программ — хранятся инструкции по управлению всем заводом. Подобным образом в ядре клетки — «руководящем центре» — хранятся инструкции, управляющие химическим бизнесом клетки (см. Клеточная теория).

Эта гипотеза получила успешное развитие во второй половине XX века. Теперь нам понятно, как информация о химических реакциях в клетках передается из поколения в поколение и реализуется для обеспечения жизнедеятельности клетки. Вся информация в клетке хранится в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — знаменитой двойной спирали, или «скрученной лестницы». Важная рабочая информация хранится на перекладинах этой лестницы, каждая их которых состоит из двух молекул азотистых оснований (см. Кислоты и основания). Эти основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин — обычно обозначают буквами А, Г, Ц и Т. Считывая информацию по одной цепи ДНК, вы получите последовательность оснований. Представьте себе эту последовательность как сообщение, написанное с помощью алфавита, в котором всего четыре буквы. Именно это сообщение и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма.

Гены, открытые Грегором Менделем (см. Законы Менделя) — на самом деле не что иное как последовательности пар оснований на молекуле ДНК. А геном человека — совокупность всех его ДНК — содержит приблизительно 30 000-50 000 генов (см. Проект «Геном человека»). У наиболее развитых организмов, в том числе и человека, гены часто бывают разделены фрагментами «бессмысленной», некодирующей ДНК, а у более простых организмов последовательность генов обычно непрерывна. В любом случае, клетка знает, как прочитать содержащуюся в генах информацию. У человека и других высокоразвитых организмов ДНК обвернута вокруг молекулярного остова, вместе с которым она образует хромосому . Вся ДНК человека помещается в 46 хромосомах.

Точно так же, как информацию с жесткого диска, хранящуюся в канцелярии завода, необходимо транслировать на все устройства в цехах завода, информация, хранящаяся в ДНК, должна быть транслирована с помощью клеточного технического обеспечения в химические процессы в «теле» клетки. Основная роль в этой химической трансляции принадлежит молекулам рибонуклеиновой кислоты , РНК. Мысленно разрежьте двуспиральную «лестницу»-ДНК вдоль на две половины, разъединяя «ступеньки», и замените все молекулы тимина (Т) на сходные с ними молекулы урацила (У) — и вы получите молекулу РНК. Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы «расплетают» участок ДНК, содержащий этот ген. Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК. В этом случае, так же как и в молекуле ДНК, могут образоваться лишь определенные связи. Например, с цитозином (Ц) молекулы ДНК может связаться только гуанин (Г) молекулы РНК. После того как все основания РНК выстроятся вдоль ДНК, специальные ферменты собирают из них полную молекулу РНК. Сообщение, записанное основаниями РНК, так же относится к исходной молекуле ДНК, как негатив к позитиву. В результате этого процесса информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на РНК.

Этот класс молекул РНК называется матричными , или информационными РНК (мРНК, или иРНК). Поскольку мРНК намного короче, чем вся ДНК в хромосоме, они могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки. Так мРНК переносят информацию из ядра («руководящего центра») в «тело» клетки.

В «теле» клетки находятся молекулы РНК двух других классов, и они оба играют ключевую роль в окончательной сборке молекулы белка, кодируемого геном. Одни из них — рибосомные РНК , или рРНК. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка.

Другие находятся в «теле» клетки и называются транспортные РНК , или тРНК. Эти молекулы устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой — участок для присоединения аминокислоты (см. Белки). Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными основаниями молекулы мРНК. (Существует 64 молекулы тРНК — четыре в третьей степени — и каждая из них может присоединиться только к одному триплету свободных оснований на мРНК.) Таким образом, процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле мРНК. В конце концов, все молекулы тРНК присоединятся к мРНК, и по другую сторону тРНК выстроится цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке.

Последовательность аминокислот — это, как известно, первичная структура белка. Другие ферменты завершают сборку, и конечным продуктом оказывается белок, первичная структура которого определена сообщением, записанным на гене молекулы ДНК. Затем этот белок сворачивается, принимая окончательную форму, и может выступать в роли фермента (см. Катализаторы и ферменты), катализирующего одну химическую реакцию в клетке.

Хотя на ДНК различных живых организмов записаны разные сообщения, все они записаны с использованием одного и того же генетического кода — у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке. Это сходство всех живых организмов — наиболее весомое доказательство теории эволюции , поскольку оно подразумевает, что человек и другие живые организмы произошли от одного биохимического предка.

См. также:

Показать комментарии (8)

Свернуть комментарии (8)

После прочтения статьи возникло несколько вопросов:

1) Написано: "Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы "расплетают" участок ДНК, содержащий этот ген.".

Как эти "специальные молекулы" называются по-научному и откуда они берутся? Их рибосома создаёт или откуда?

Эти специальные молекулы заставляющие ген транслироваться также все расшифрованы, как и геном человека, или для этого потребуется ещё один схожий мегапроект?

1) Чем гены в ДНК отделены друг от друга? В смысле, как узнают где начало гена, и где его конец? Есть там в ДНК своя файловая система, али как?

3) Если рибосомы собирают белки, то что собирает сами рибосомы? Откуда они берутся?

Я не очень разбираюсь в биологии, просто хочу понять как всё это происходит...
Если кто ответит, хотя бы частично, то заранее, спасибо!

Ответить

"Как эти "специальные молекулы" называются по-научному и откуда они берутся?"
Эти молекулы - белки, и синтезируются соответствующим образом на рибосомах. В расплетании и самом синтезе РНК на базе ДНК участвуют несколько белков: основной фермент - РНК-полимераза и некоторые другие. Их структура, как и структура любого белка, закодирована в геноме (где же ещё ей быть закодированной:))
"Чем гены в ДНК отделены друг от друга? В смысле, как узнают где начало гена, и где его конец? Есть там в ДНК своя файловая система, али как"
Участок, с которого начинается транскрипция (синтез мРНК) называется промотором - это участок связывания РНК-полимеразы, который и является началом гена. Дойдя до определённого участка РНК-полимераза теряет сродство к молекуле ДНК и отсоединяется - соответственно, это можно считать концом гена.
На самом деле этот процесс более сложный - синтезированная цепочка РНК - ещё не мРНК, а т.н. "первичный транскрипт" который подвергается процессингу, в результате которого и образуются окончательные мРНК, которые отправляются на рибосомы.
Есть два типа белков, синтезируемых на ДНК - структурные и регуляторные (ферменты). После того, как фермент синтезировался, он включается (например, РНК-полимераза) в петли обратной связи (цепи химических реакций), например, в случае РНК-полимеразы, - она при необходимости (возможности) соединяется с промотором, запуская транскрипцию. Когда клетка не нуждается в данном белке, промотор блокирован, т. е. находится в таком состоянии, что присоединение РНК-полимеразы невозможно. При "нехватке" данного белка происходит каскад химических реакций, приводящий к разблокированию промотора, который опять блокируется, когда белка становится достаточно. Это если упрощённо.
То есть как таковой "файловой системы" нет, она и не нужна - это сложная саморегулирующаяся система.
"Если рибосомы собирают белки, то что собирает сами рибосомы? Откуда они берутся?"
Рибосома - это рибонуклеопротеид, комплекс рРНК и белков (которые синтезируются на соответствующих участках ДНК). Сборка рибосом происходит в "ядрышке" - это место ДНК, где находтся гены, кодирующие элементы рибосом (точнее, ядрышко - это и есть собранные и собирающиеся рибосомы, основная масса которых затем фиксируется на внутриклеточных мембранах). Рибосомы "собираются" сами, т. е. их составные части, которые были синтезированы, вступают в реакцию с образованием рибосомы.
Аналогия между хранением и считыванием информации на жёстком диске и в геноме чисто формальна, на самом деле общего мало.

Ответить

Сам первый тезис не соответствует истине. "Один ген молекулы ДНК кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке."
Во-первых, один ген может кодировать не один белок. Например, альтернативный сплайсинг, когда из одной пре-мРНК(прематричная РНК) получаются два или более разных мРНК и следовательно разных белка.
Во-вторых, белок может не отвечать за химическую реакцию, например, белки цитоскелета, ядерного матрикса и многое другое. Да и просто кальцийсвязывающие белки - они не отвечают за химические реакции, но могут участвовать во многих (один и тот же белок).
"Вся информация в клетке хранится в молекуле ДНК". Опять же не совсем так. В яйцеклетке существует так называемая эпигенетическая информация. Градиенты белков, ответственных за развитие организма на самых ранних стадиях, за дифференциацию клеток сразу после первого деления. У некоторых организмов очень жесткая детерминация дальнейшей диффенциации. Без родительских белков и их градиентов организм просто не смжет развиться. В этом сложность "выращивания", скажем, динозавров. Некоторые характеристики могут быть не записаны в ДНК, а передаваться цитоплазматически.
" У человека и других высокоразвитых организмов ДНК обвернута вокруг молекулярного остова, вместе с которым она образует хромосому." Хромосома - это только ДНК, но для стабилизации, компактизации используется набор белков, гистонов. Они не входят в состав хромосомы.
"Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК." Они сами ничего такого не делают, так как при этом возникло бы множество мутаций. За всеми ситетическими процессами в клетке ведется строгий контроль. И главное, надо не просто присоединиться к ДНК, но еще и "сшиться" между собой, чтобы образовать цепочку. Все это делают специализированные белки.
"Поскольку мРНК намного короче, чем вся ДНК в хромосоме, они могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки." Сами не выходят. Совершенно не верно. Существует специальные сигналы в последовательности РНК, по которым они как по пропускам проходят из ядра в цитоплазму через "границу" - оболочку ядра.
" у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке" - не совсем существуют редкие исключения, которые подтверждают правило:)

Ответить

Интересно было бы узнать: удовлетворили ли любознательного flaps (20.05.2006 03:52) предложенные ответы на поставленные им вопросы? Прошло столько времени. Может быть, за это время flaps уже узнал не только что расплетает ДНК, но и как расплетает? Inkstone возможно представляет себе это так? РНК-полимераза (это небольшой комочек белков возможно в соединении с нуклеотидными фрагментами ДНК и РНК) после синтеза на рибосоме отсоединилась от рибосомы и двинулась в направлении ДНК. Учтем тот факт, что в клетке большое множество всевозможных молекул и органелл. Что приведет РНК-полимеразу к промотору? В человеческой ДНК порядка 50 000 генов, а, следовательно, столько же должно быть и промоторов. И вот что-то должно как-то и в какое-то время подействовать на полимеразу так, чтобы побудить ее двинутся в требуемом направлении к транскрибируемому гену, а он может быть расположен на любой хромосоме в любом месте. Что промотор видит начало требуемого гена издалека? Чем он видит, или слышит, или осязает? Белком, аминокислотой или чем?
А как РНК-полимераза может двигаться? У нее ничего, кроме торчащих во все стороны атомов, и обычно никак не упорядоченных в виде ног, колес, плавников и тому подобное, нет. Не торопитесь только приписывать это движение тепловым процессам. Они с одинаковой вероятностью могут сближать и удалять объекты.
Допустим, что РНК-полимераза добралась каким-то чудесным образом до требуемого промотора или пусть даже была рядом с ним. Если промотор и полимераза рядом, то им что-то должно дать команду на взаимодействие.
Предположим, что такая команда в каком-то виде поступила. Что должен делать РНК-полимераза? Разорвать связь гена с молекулой (3’и 5’), как-то соединится с обеими ветвями молекулы, и начать ген разрывать по основаниям и раскручивать спираль. Или молекулу не разрывать? Попытайтесь расплести свитую веревку, и Вы увидите, что это не просто. Одна часть веревки будет раскручиваться, а другая еще плотнее будет свиваться. В любом случае надо либо перехватывать руки, либо крутится самому. Может ли такие сложные манипуляции выполнить комочек белка? Ой, ли. А еще интересней такое положение дел. Ген сам строит на себе мРНК или РНК-полимераза поставляет для строительства основания, рибозу и фосфат, а затем связывает их совместно? Если ген сам строит мРНК, то, как он понимает, что надо строить именно мРНК, а не вторую ветвь ДНК? Что делает в это время вторая ветвь? Если это делает РНК-полимераза, то она умнее человека. Надо анализировать каждый нуклеотид, подбирать ему нужную пару, вытаскивать ее из массы других молекул, соединять их в нужном порядке и т.д. и т.п.
В общем, на ни один из этих вопросов ни Inkstone, ни БСЭ, ни кто другой из самых ученых ничего толком ответить не смогут. Да на них и нельзя ответить в рамках молекулярной биологии, а вся наука пока находится именно на молекулярной ступени познания. Ответы на все эти вопросы появляются, если перейти на квантовую ступень познания. На этой ступени физика органично входит в биологию, не стык наук появляется, а их естественное слияние. Автору этот переход удался. Все это изложено в книгах “Квантовая биология” (ISBN: 978-3-659-33209-8) и “Квантовая физика” (ISBN-13: 978-3-659-40470-2). Их можно заказать в онлайн-магазине по адресу http://ljubljuknigi.ru/.

Ответить

Написать комментарий

Для того чтобы не только понять значение структурных особенностей клетки, но и, главное, разобраться в функциональных отправлениях ее отдельных компонентов и всей клетки в целом, чтобы сочетать изучение морфологии клетки с главнейшими биохимическими и генетическими особенностями ее устройства и работы, чтобы изучать клетку именно с позиций современной клеточной биологии, необходимо хотя бы вкратце вспомнить основные молекулярно-биологические закономерности, еще раз кратко обратиться к содержанию центральной догмы молекулярной биологии.

Клетка как таковая выполняет множество разнообразных функций. Как мы уже говорили, часть из них - общеклеточные, часть - специальные, характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Например, известно, что процессы транспорта в клетке разнообразных веществ, начиная с ионов и кончая макромолекулами, определяются работой специальных белков или липопротеиновых комплексов, входящих в состав плазматической и иных клеточных мембран. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят в результате активности специфических для каждой отдельной реакции белков-ферментов. Синтезы отдельных биологических мономеров, нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, сахаров и других соединений также осуществляются огромным числом специфических ферментов - белков. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещению веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинаются с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки - это основные компоненты практически всех клеточных структур. Множество химических реакций внутри клетки определяется множеством ферментов, каждый из которых ведет одну или несколько отдельных реакций. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры - в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка.

Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в места его синтеза (в рибосомы) посредником - информационной РНК (иРНК), нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку с помощью промежуточного звена - иРНК (ДНК → иРНК → белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов цепь передачи информации может идти по схеме РНК → иРНК → белок. Это не меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.

Для того чтобы в дальнейшем перейти к изучению структур клетки, связанных со всеми этапами синтеза белков, нам необходимо кратко остановиться на основных процессах и компонентах, определяющих это явление.

В настоящее время на основании современных представлений о биосинтезе белков можно дать следующую общую принципиальную схему этого сложного и многоступенчатого процесса (рис. 16).

Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте - ДНК. Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами - мономерами - этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальна и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного каого-либо белка в клетке, часто обозначают термином «цистрон». В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген. В уникальной структуре гена - в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи - заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.

Из общей схемы белкового синтеза видно (см. рис. 16), что начальным пунктом, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в клетке, является ДНК. Следовательно, именно ДНК содержит ту первичную запись информации, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки к клетке, из поколения в поколение.

Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т.е. о локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно известно, что, в отличие от всех прочих компонентов белоксинтезирующего аппарата, ДНК имеет особую, весьма ограниченную локализацию: местом ее нахождения в клетках высших (эукариотических) организмов будет клеточное ядро. У низших (прокариотических) организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отмешана от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидных образований. В полном соответствии с этим ядро эукариот или нуклеоид прокариот издавна рассматривается как вместилище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий реализацию наследственных признаков организмов и их передачу в поколениях.

Главный принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это так называемый принцип комплементарности (рис. 17). Как уже упоминалось, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими - комплементарными - парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи - А во второй цепи, каждому Г первой цепи - Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи - Г во второй цепи.

Указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из четырех сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате (как видно на рис. 17) вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.

Необходимо подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого, безусловно, составляет одно из главных достижений биологии.

Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпывается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза - воспроизведения ДНК по описанной выше схеме - необходима деятельность специального ферментативного комплекса, носящего название ДНК-полимеразы. Именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. Работа фермента в ходе редупликации ДНК представляет собой на сегодня одну из наиболее интересных проблем. Вероятно, ДНК-полимераза как бы активно ползет вдоль двутяжной молекулы ДНК от одного ее конца к другому, оставляя позади себя раздвоенный редуплицированный «хвост». Физические принципы такой работы данного белка пока не ясны.

Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на одной цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера - рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые рассматриваются как небольшая модификация четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Таким путем нуклеотидная последовательность генов копируется в виде молекул РНК, т.е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься большое, теоретически неограниченное количество таких «копий» - молекул РНК. Эти молекулы, переписанные во многих экземплярах как «копии» генов и, стало быть, несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке. Они уже непосредственно входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают «личное» участие в процессах создания белковых молекул. Другими словами, они переносят информацию от места, где она хранится, в места ее реализации. Соответственно эти РНК обозначают как информационные (иРНК) или матричные (мРНК).

Выяснено, что цепь иРНК синтезируется, прямо используя соответствующий участок ДНК в качестве матрицы. Синтезируемая цепь мРНК при этом точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (принимая, что урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Это происходит на основе того же структурного принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК (рис. 18). Оказалось, что когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК - Г в цепи РНК, каждому Т цепи ДНК - А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК - У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом происходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т.е. транскрипция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов цепи РНК уже непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белка.

Здесь, как и при рассмотрении редупликации ДНК, в качестве одного из наиболее существенных моментов процесса транскрипции необходимо указать на его ферментативный характер. ДНК, являющаяся матрицей в этом процессе, целиком определяет расположение нуклеотидов в синтезирующейся цепи мРНК, всю специфичность образуемой РНК, но сам ход процесса осуществляется особым белком - ферментом. Этот фермент называется РНК-полимеразой. Его молекула имеет сложную организацию, позволяющую ему активно продвигаться вдоль молекулы ДНК, одновременно синтезируя цепочку РНК, комплементарную к одной из цепей ДНК. Молекула ДНК, служащая матрицей, при этом не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и всегда готовая для такого переписывания с нее неограниченного количества «копий» - мРНК. Поток этих мРНК от ДНК к рибосомам и составляет тот поток информации, который обеспечивает программирование белоксинтезирующего аппарата клетки, всей совокупности ее рибосом.

Таким образом, рассмотренная часть схемы описывает поток информации, идущий от ДНК в виде молекул мРНК к внутриклеточным частицам, синтезирующим белки. Теперь мы обратимся к потоку иного рода - к потоку того материала, из которого должен создаваться белок. Элементарными единицами - мономерами - белковой молекулы являются аминокислоты, которых насчитывается около 20. Для создания (синтеза) белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке, должны быть вовлечены в соответствующий поток, поступающий в белоксинтезирующую частицу, и уже там расставлены в цепочку определенным уникальным образом, диктуемым информационной РНК. Такое вовлечение аминокислот - строительного материала для создания белка - осуществляется путем присоединения свободных аминокислот к особым молекулам РНК относительно небольшого размера. Эти РНК, служащие для присоединения к ним свободных аминокислот, не являясь информационными, несут иную - адапторную - функцию, смысл которой будет виден дальше. Аминокислоты присоединяются к одному из концов небольших цепочек трансферных РНК (тРНК), по одной аминокислоте на одну молекулу РНК. Для каждой такой аминокислоты в клетке существуют свои специфические молекулы адапторных РНК, присоединяющие только эти аминокислоты. В таком навешенном на РНК виде аминокислоты и поступают в белоксинтезирующие частицы.

Центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние этих двух внутриклеточных потоков - потока информации и потока материала - в белоксинтезирующих частицах клетки. Эти частицы называются рибосомами. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические биохимические «машины» молекулярных размеров, где из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Хотя на рис. 19 изображена лишь одна частица, каждая клетка сдержит тысячи рибсом. Количество рибосом определяет общую интенсивность белкового синтеза в клетке. Диаметр одной рибосомной частицы около 20 нм. По своей химической природе рибосома - рибонуклеопротеид: она состоит из особой рибосомной РНК (это третий известный нам класс РНК в дополнение к информационным и адапторным РНК) и молекул структурного рибосомного белка. Вместе это сочетание нескольких десятков макромолекул образует идеально организованную и надежную «машину», обладающую свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы специфического строения. Поскольку существо процесса состоит в том, что линейная расстановка 20 различных аминокислот в цепи белка однозначно детерминируется расположением четырех разных нуклеотидов в цепи химически совсем иного полимера - нуклеиновой кислоты (мРНК), то этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод», - перевод как бы с четырехбуквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. Как видно, в процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции; рибосомная РНК, играющая роль организатора белоксинтезирующей рибонуклеопротеидной частицы - рибосомы; и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.

Рис. 19. Схема функционирующей рибосомы

Процесс синтеза белка начинается при образовании соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК, или тРНК. При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем «активированная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.

Одновременно с этим решается и вторая задача. Дело в том, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент, обозначаемый как аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот имеются свои особые ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты. Таким образом, существует не менее 20 ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаза), каждый из которых специфичен для одной определенной аминокислоты. Каждый из этих ферментов может вести реакцию не с любой молекулой тРНК, а лишь с теми, которые несут строго определенное сочетание нуклеотидов в своей цепи. Таким образом, благодаря существованию набора столь специфических ферментов, различающих, с одной стороны, природу аминокислоты и, с другой - нуклеотидную последовательность тРНК, каждая из 20 аминокислот оказывается «приписанной» только к определенным тРНК с данным характерным нуклеотидным сочетанием.

Схематически некоторые моменты процесса биосинтеза белка, насколько мы их представляем на сегодняшний день, даны на рис. 19. Здесь прежде всего видно, что молекула информационной РНК соединена с рибосомой или, как говорят, рибосома «запрограммирована» информационной РНК. В каждый данный момент непосредственно в самой рибосоме находится лишь относительно короткий отрезок цепи мРНК. Но именно этот отрезок при участии рибосомы может взаимодействовать с молекулами адапторных РНК. И здесь снова главную роль играет принцип комплементарности.

В этом и состоит объяснение механизма того, почему данному триплету цепи мРНК соответствует строго определенная аминокислота. Необходимым промежуточным звеном, или адаптором, при «узнавании» каждой аминокислотой своего триплета на мРНК является адапторная РНК (тРНК).

На рис. 19 видно, что в рибосоме помимо молекулы тРНК с навешенной аминокислотой находится еще одна молекула тРНК. Но, в отличие от рассмотренной выше молекулы тРНК, эта молекула тРНК своим концом присоединена к концу находящейся и процессе синтеза белковой (полипептидной) цепочки. Такое положение отражает динамику событий, происходящих в рибосоме в процессе синтеза белковой молекулы. Эту динамику можно представить себе следующим образом. Начнем с некоего промежуточного момента, отраженного на рис. 19 и характеризующегося наличием уже начавшей строиться белковой цепочки, присоединенной к ней тРНК и только что вошедшей в рибосому и связавшейся с триплетом новой молекулы тРНК с соответствующей ей аминокислотой. По-видимому, сам акт присоединения молекулы тРНК к расположенному в данном месте рибосомы триплету мРНК приводит к такой взаимной ориентации и тесному контакту между аминокислотным остатком и строящейся цепью белка, что между ними возникает ковалентная связь. Связь возникает таким образом, что конец строящейся белковой цепи (на рис. 19 присоединенный к тРНК) переносится от этой тРНК на аминокислотный остаток поступившей аминоацил-тРНК. В результате «правая» тРНК, сыграв роль «донора», окажется свободной, а белковая цепь - переброшенной на «акцептор», т.е. на «левую» (поступившую) аминоацил-тРНК. В итоге белковая цепь окажется удлиненной на одну аминокислоту и присоединенной к «левой» тРНК. Вслед за этим происходит переброска «левой» тРНК вместе со связанным с ней триплетом нуклеотидов мРНК вправо, тогда прежняя «донорная» молекула тРНК окажется вытесненной отсюда и уйдет из рибосом. На ее месте появится новая тРНК со строящейся цепью белка, удлиненной на один аминокислотный остаток, а цепь мРНК будет продвинута относительно рибосомы на один триплет вправо. В результате продвижения цепи мРНК на один триплет вправо в рибосоме появится следующий вакантный триплет (УУУ), и к нему немедленно по комплементарному принципу присоединится соответствующая тРНК с аминокислотой (фенилаланил-тРНК). Это опять вызовет образование ковалентной (пептидной) связи между строящейся цепью белка и фенилаланиновым остатком и вслед за этим продвижение цепи мРНК на один триплет вправо со всеми вытекающими отсюда последствиями и т.д. Таким путем осуществляется последовательно, триплет за триплетом, протягивание цепи информационной РНК через рибосому, в результате чего цепь иРНК «прочитывается» рибосомой целиком, от начала до конца. Одновременно и сопряженно с этим происходит последовательное, аминокислота за аминокислотой, наращивание белковой цепочки. Соответственно в рибосому одна за другой поступают молекулы тРНК с аминокислотами и выходят молекулы тРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы тРНК снова соединяются с аминокислотами и опять несут их в рибосому, сами же, таким образом, циклично обращаясь без разрушения и изменения.

Информация, содержащаяся в биологических последовательностях

Биополимеры - это синтезируемые живыми существами (биологические) полимеры . ДНК, РНК и белки относятся к линейным полимерам, то есть каждый входящий в их состав мономер соединяется с минимум двумя другими мономерами. Последовательность мономеров кодирует информацию, правила передачи которой описываются центральной догмой. Информация передаётся с высокой точностью, детерминистически и один биополимер используется как шаблон для сборки другого полимера с последовательностью, которая полностью определяется последовательностью первого полимера.

Универсальные способы передачи биологической информации

В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера - ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться 3 × 3 = 9 способами. Центральная догма разделяет эти 9 типов передачи информации на три группы:

Общий - встречающиеся у большинства живых организмов;
Специальный - встречающиеся в виде исключения, у вирусов и у мобильных элементов генома или в условиях биологического эксперимента ;
Неизвестные - не обнаружены.

Репликация ДНК (ДНК → ДНК)

ДНК - основной способ передачи информации между поколениями живых организмов, поэтому точное удвоение (репликация) ДНК очень важна. Репликация осуществляется комплексом белков, которые расплетают хроматин , затем двойную спираль. После этого ДНК полимераза и ассоциированные с ней белки, строят на каждой из двух цепочек идентичную копию.

Транскрипция (ДНК → РНК)

Транскрипция - биологический процесс, в результате которого информация, содержащаяся в участке ДНК, копируется на синтезируемую молекулу мРНК . Транскрипцию осуществляют факторы транскрипции и РНК-полимераза . В эукариотической клетке первичный транскрипт (пре-иРНК) часто редактируется. Этот процесс называется сплайсингом .

Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.
ПРОКАРИОТЫ. У прокариот синтез белка рибосомой (трансляция) пространственно не отделён от транскрипции и может происходить ещё до завершения синтеза мРНК РНК-полимеразой . Прокариотические мРНК часто полицистронные , то есть содержат несколько независимых генов .
ЭУКАРИОТЫ. мРНК эукариот синтезируется в виде предшественника, пре-мРНК, претерпевающего затем сложное стадийное созревание - процессинг , включающий присоединение кэп-структуры к 5"-концу молекулы, присоединение нескольких десятков остатков аденина к ее 3"-концу (полиаденилирование), выщепление незначащих участков - интронов и соединение друг с другом значащих участков - экзонов (сплайсинг). При этом соединение экзонов одной и той же пре-мРНК может проходить разными способами, приводя к образованию разных зрелых мРНК, и в конечном итоге разных вариантов белка (альтернативный сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая процессинг, экспортируется из ядра в цитоплазму и вовлекается в трансляцию.

Трансляция (РНК → белок)

Репликация РНК (РНК → РНК)

Репликация РНК - копирование цепи РНК на комплемлементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК реплицируются подобным способом.

Прямая трансляция белка на матрице ДНК (ДНК → белок)

Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки , которые содержали рибосомы , но не иРНК . Такие экстракты синтезировали белки с введённых в систему ДНК, и антибиотик неомицин усиливал этот эффект.

Эпигенетические изменения

Эпигенетические изменения - это изменения в проявлении генов, не обусловленные изменением генетической информации (мутациями). Эпигенетические изменения происходят в результате модификации уровня экспрессии генов, то есть их транскрипции и/или трансляции. Наиболее изученным видом эпигенетической регуляции является метилирование ДНК с помощью белков ДНК-метилтрансфераз , что приводит к временной, зависящей от условий жизни организма инактивации метилированного гена . Однако поскольку первичная структура молекулы ДНК при этом не изменяется, это исключение нельзя считать истинным примером передачи информации от белка к ДНК.

Прионы

Прионы - белки, которые существуют в двух формах. Одна из форм (конформаций) белка является функциональной, обычно растворимой в воде. Вторая форма образует нерастворимые в воде агрегаты, часто в виде молекулярных трубочек-полимеров. Мономер - молекула белка - в этой конформации способен просоединяться к другим сходным молекулам белка, переводя их во вторую, прионоподобную, конформацию. У грибов такие молекулы могут передаваться по наследству. Но, как и в случае метилирования ДНК, первичная структура белка в данном случае остаётся прежней, и переноса информации на нуклеиновые кислоты не происходит.

История возникновения термина «догма»

Оригинальный текст (англ.)

My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?!" And Crick gave a roar of delight. "I just didn"t know what dogma meant. And I could just as well have called it the "Central Hypothesis," or - you know. Which is what I meant to say. Dogma was just a catch phrase

Кроме того, в автобиографической книге «Что за сумасшедший поиск» («What mad pursuit») Крик писал о выборе слова «догма» и о вызванных этим выбором проблемах:

«Я назвал эту идею центральной догмой, я подозреваю, по двум причинам. Я уже использовал слово гипотеза в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное… Как оказалось, использование термина догма вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило… Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом догма, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».

Оригинальный текст (англ.)

I called this idea the central dogma, for two reasons, I suspect. I had already used the obvious word hypothesis in the sequence hypothesis, and in addition I wanted to suggest that this new assumption was more central and more powerful. ... As it turned out, the use of the word dogma caused almost more trouble than it was worth.... Many years later Jacques Monod pointed out to me that I did not appear to understand the correct use of the word dogma, which is a belief that cannot be doubted. I did apprehend this in a vague sort of way but since I thought that all religious beliefs were without foundation, I used the word the way I myself thought about it, not as most of the world does, and simply applied it to a grand hypothesis that, however plausible, had little direct experimental support.

См. также

Примечания

Ссылки

B. J. McCarthy, J. J. Holland. Denatured DNA as a Direct Template for in vitro Protein Synthesis // PNAS . - 1965. - Т. 54. - С. 880-886.
Werner, E. Genome Semantics, In Silico Multicellular Systems and the Central Dogma // FEBS Letters . - 2005. - В. 579. - С. 1779-1782. PMID 15763551
Horace Freeland Judson. Chapter 6: My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?! // The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (25th anniversary edition). - 1996.

Центральная догма молекулярной биологии

Строение клеточного ядра

Фракционирование клеток.Сегодня фракционирование позволяет получать практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра, ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли эндоплазматического ретикулума, и т.д.

Специальные методы

Перед получением клеточных фракций клетки разрушают путем гомогенизации. Далее из гомогенатов выделяют фракции. Основным способом выделения клеточных структур является разделительное центрифугирование. Оно основано на том, что более тяжелые частицы быстрее оседают на дно центрифужной пробирки.

При небольших ускорениях (1-3 тыс. g) раньше оседают ядра и неразрушенные клетки, при 15-30 тыс. g оседают более крупные частицы или маакросомы, состоящие из митохондрий, мелких пластид, пероксисом, лизосом и др., при 50 тыс. g оседают микросомы, фрагменты вакуолярной системы клетки. При повторном центрифугировании смешанных подфракций выделяют чистые фракции. Для более тонкого разделения фракций используют центрифугирование в градиенте плотности сахарозы. Получение отдельных клеточных компонентов позволяет изучать их биохимию и функциональные особенности, создавать бесклеточные системы, к примеру, для рибосом, которые могут синтезировать белок по заданной экспериментатором информационной РНК, или для воссоздания клеточных надмолекулярных структур.
Размещено на реф.рф
Такие искусственные системы помогают изучать тонкие процессы, протекающие в клетке.

Метод клеточной инженерии. После специальной обработки различные живые клетки могут сливаться друг с другом и образовывать двуядерную клетку или гетерокарион. Гетерокарионы, особенно образованные из близкородственных клеток (к примеру, мыши и хомячки), могут вступать в митоз и давать истинно гибридные клетки. Другие приемы позволяют конструировать клетки из разных по происхождению ядер и цитоплазмы.

Сегодня клеточная инженерия широко применяются не только в экспериментальной биологии, но и в биотехнологии. К примеру, при получении моноклональных антител.

Клетка обладает огромным числом разнообразных функцй, главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят с участием белков-ферментов. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинаются с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки - ϶ᴛᴏ основные компоненты практически всех клеточных структур.
Размещено на реф.рф
Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи обуславливается структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Это положение является основным постулатом молекулярной биологии или её ʼʼдогмойʼʼ. Кроме того центральная догма подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку (ДНК ® иРНК ® белок) и отрицает обратные пути - от белка к нуклеиновой кислоте.

На основании современных знаний биосинтез белков представляет собой следующую принципиальную схему.

Главная роль в определении специфической структуры белков принадлежит ДНК. Молекула ДНК, состоящая из двух взаимозакрученных полимерных цепей, представляет собой линейную структуру, мономерами, которой являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. За синтез каждого белка ответствен определенный участок молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК, в котором заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка. назвали цистроном. Сегодня понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген.

Известно, что, в отличие от остальных компонентов белоксинтезирующего аппарата͵ местом нахождения в клетках ДНК эукариотических организмов является клеточное ядро. У низших (прокариотических) организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отделена от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидов.

В корне макромолекулярной структуры ДНК лежит так называемый принцип комплементарности. Он означает, что противолежащие нуклеотиды двух взаимозакрученных цепей ДНК своей пространственной структурой дополняют друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. В каждой ʼʼдочернейʼʼ молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.

Необходимо подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК и открытие этого является одним из главных достижений биологии.

Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального фермента͵ носящего название ДНК-полимеразы. Именно данный фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу.

Следовательно, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации является так называемый процесс транскрипции, или ʼʼпереписыванияʼʼ. В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Благодаря этому информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься теоретически неограниченное количество ʼʼкопийʼʼ – молекул РНК. Молекулы РНК входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают непосредственное участие в синтезе белковых молекул. Иными словами, они переносят информацию от мест её хранения в места её реализации. Вот почему эти РНК обозначают как информационные или матричные РНК, сокращенно мРНК или иРНК.

Синтезирующаяся цепь информационной РНК в качестве матрицы прямо использует соответствующий участок ДНК. При этом синтезируемая цепь мРНК точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Всё происходит на базе того же принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК. В итоге происходит ʼʼпереписываниеʼʼ или транскрипция информации с ДНК на РНК. ʼʼПереписанныеʼʼ сочетания нуклеотидов РНК уже непосредственно определяют расстановку кодируемых ими аминокислот в цепи белка.

Теперь как создается белок? Известно, что рода мономерами белковой молекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют свои специфические, присоединяющие только данный сорт аминокислоты молекулы адапторных РНК. В навещенном на РНК виде, аминокислоты поступают в белоксинтезирующие частицы - рибосомы и уже там под диктовку информационной РНК расставляются в цепочку синтезируемого белка.

Главным в биосинтезе белка является слияние в рибосомах двух внутриклеточных потоков – потока информации и потока материала. Рибосомы - это биохимические ʼʼмашиныʼʼ молекулярных размеров, в которых из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Каждая клетка сдержит тысячи рибсом, по их количеству в клетке определяют интенсивность белкового синтеза. По своей химической природе рибосома относится к рибонуклеопротеидам и состоит из особой рибосомной РНК и молекул рибосомного белка. Рибосомы обладают свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы. Сущность процесса состоит по сути в том, что линейная расстановка 20 сортов аминокислот в цепи белка определяется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи совсем иного полимера – нуклеиновой кислоты (мРНК). По этой причине данный процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином ʼʼтрансляцияʼʼ, или ʼʼпереводʼʼ - перевод с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. В данном процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомная РНК, играющая роль организатора рибосомы, и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.

Процесс синтеза белка начинается с образования соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК. При этом сначала происходит энергетическая ʼʼактивацияʼʼ аминокислоты за счёт ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем ʼʼактивированнаяʼʼ аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.

Следует добавить, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 аминокислот существуют свои ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты

Центральная догма молекулярной биологии - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Центральная догма молекулярной биологии" 2017, 2018.

Клетка как таковая обладает огромным числом разнообразных функций, как мы уже говорили, часть из них – общеклеточные, часть – специальные, характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Так, известно, что процессы транспорта в клетке разнообразных веществ, начиная с ионов, кончая макромолекулами, определяются работой специальных белков или липопротеиновых комплексов в составе плазматической и иных клеточных мембран. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходит в результате активности специфических для каждой отдельной реакции белков-ферментов. Синтезы отдельных биологических мономеров, нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, сахаров и др. также осуществляются огромным числом специфических ферментов – белков. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинается с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки – это основные компоненты практически всех клеточных структур. Множество химических реакций внутри клетки определяется множеством ферментов, каждый из которых ведет одну или несколько отдельных реакций. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка.

Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в места его синтеза (в рибосомы) посредником – информационной РНК (иРНК), нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку, с помощью промежуточного звена, иРНК (ДНК ® иРНК ® белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов цепь передачи информации может идти по схеме РНК – иРНК – белок. Это не меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.

Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте – ДНК. Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами – мономерами – этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного какого-либо белка в клетке, часто обозначают термином «цистрон». В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген. В уникальной структуре гена – в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи – заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.

Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т.е. о локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно известно, что, в отличие от всех прочих компонентов белоксинтезирующего аппарата, ДНК имеет особую, весьма ограниченную локализацию: местом ее нахождения в клетках высших (эукариотических) организмов будет клеточное ядро. У низших (прокариотических)организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отмешана от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидных образований. В полном соответствии с этим ядро эукариот или нуклеоид прокариот издавна рассматривается как вместилище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий реализацию наследственных признаков организмов и их передачу в поколениях.

Основной принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это так называемый принцип комплементарности (рис. 17). Как уже упоминалось, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи – А во второй цепи, каждому Г первой цепи – Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи – Г во второй цепи.

Видно, что указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из 4 сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате, как видно на схеме, вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь, как видно, целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.

Главное, что еще раз необходимо подчеркнуть, это то, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого, безусловно, составляет одно из главных достижений биологии.

Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпывается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального ферментативного комплекса, носящего название ДНК-полимеразы. По-видимому, именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. Работа фермента в ходе редупликации ДНК представляет собой на сегодня одну из наиболее интересных проблем. По-видимому, ДНК-полимераза как бы активно ползет вдоль двутяжной молекулы ДНК от одного ее конца к другому, оставляя позади себя раздвоенный редуплицированный «хвост». Физические принципы такой работы данного белка пока не ясны.

Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые рассматриваются как небольшая модификация четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Таким путем нуклеотидная последовательность генов копируется в виде молекул РНК, т.е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься большое, теоретически неограниченное количество таких «копий» – молекул РНК. Эти молекулы, переписанные во многих экземплярах как «копии» генов и стало быть несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке. Они уже непосредственно входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают «личное» участие в процессах создания белковых молекул. Другими словами, они переносят информацию от места, где она хранится, в места ее реализации. Соответственно эти РНК обозначают как информационные или матричные РНК, сокращенно мРНК (или иРНК).

Выяснено, что цепь информационной РНК синтезируется, прямо используя соответствующий участок ДНК в качестве матрицы. Синтезируемая цепь мРНК при этом точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (принимая, что урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Это происходит на основе того же структурного принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК (рис. 18). Оказалось, что когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК – Г в цепи РНК, каждому Т цепи ДНК – А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК – У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна к матричной цепи ДНК и, следовательно, идентичная по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом происходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т.е. транскрипция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов цепи РНК уже непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белка.

Здесь, как и при рассмотрении редупликации ДНК, в качестве одного из наиболее существенных моментов процесса транскрипции необходимо указать на его ферментативный характер. ДНК, являющаяся матрицей в этом процессе, целиком определяет расположение нуклеотидов в синтезирующейся цепи мРНК, всю специфичность образуемой РНК, но сам ход процесса осуществляется особым белком – ферментом. Этот фермент называется РНК-полимеразой. Его молекула имеет сложную организацию, позволяющую ему активно продвигаться вдоль молекулы ДНК, одновременно синтезируя цепочку РНК, комплементарную к одной из цепей ДНК. Молекула ДНК, служащая матрицей, при этом не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и будучи всегда готова для такого переписывания с нее неограниченного количества «копий» – мРНК. Поток этих мРНК от ДНК к рибосомам и составляет тот поток информации, который обеспечивает программирование белоксинтезирующего аппарата клетки, всей совокупности ее рибосом.

Таким образом, рассмотренная часть схемы описывает поток информации, идущий от ДНК в виде молекул мРНК к внутриклеточным частицам, синтезирующим белки. Теперь мы обратимся к потоку иного рода – к потоку того материала, из которого должен создаваться белок. Элементарными единицами – мономерами – белковой молекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для создания (синтеза) белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке, должны быть вовлечены в соответствующий поток, поступающий в белоксинтезирующую частицу, и уже там расставлены в цепочку определенным уникальным образом, диктуемым информационной РНК. Такое вовлечение аминокислот – строительного материала для создания белка – осуществляется через присоединение свободных аминокислот к особым молекулам РНК относительно небольшого размера. Эти РНК, служащие для присоединения к ним свободных аминокислот, не будут информационными, а несут иную- адапторную – функцию, смысл которой будет виден дальше. Аминокислоты присоединяются к одному из концов небольших цепочек трансферных РНК (тРНК), по одной аминокислоте на одну молекулу РНК.

Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют свои специфические, присоединяющие только этот сорт аминокислоты молекулы адапторных РНК. В таком навещенном на РНК виде, аминокислоты и поступают в белоксинтезирующие частицы.

Центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние этих двух внутриклеточных потоков – потока информации и потока материала – в белоксинтезирующих частицах клетки. Эти частицы называются рибосомами. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические биохимические «машины» молекулярных размеров, где из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Хотя на данной схеме (рис. 19) изображена лишь одна частица, каждая клетка сдержит тысячи рибсом. Количество рибосом определяет общую интенсивность белкового синтеза в клетке. Диаметр одной рибосомной частицы около 20 нм. По своей химической природе рибосома – рибонуклеопротеид: она состоит из особой рибосомной РНК (это третий известный нам класс РНК в дополнение к информационным и адапторным РНК) и молекул структурного рибосомного белка. Вместе это сочетание нескольких десятков макромолекул образует идеально организованную и надежную «машину», обладающую свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы специфического строения. Поскольку существо процесса состоит в том, что линейная расстановка 20 сортов аминокислот в цепи белка однозначно детерминируется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи химически совсем иного полимера – нуклеиновой кислоты (мРНК), то этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод» - перевод как бы с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. Как видно, в процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомная РНК, играющая роль организатора белоксинтезирующей рибонуклеопротеидной частицы – рибосомы, и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.

Но одновременно с этим решается и вторая задача. Дело в том, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент, обозначаемый как аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждого из 20 сортов аминокислот существуют свои особые ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты. Таким образом, существует не менее 20 ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаза), каждый из которых специфичен для одного сорта аминокислоты. Каждый из этих ферментов может вести реакцию не с любой молекулой тРНК, а лишь с теми, которые несут строго определенное сочетание нуклеотидов в своей цепи. Таким образом, благодаря существованию набора столь специфических ферментов, различающих, с одной стороны, природу аминокислоты и, с другой – нуклеотидную последовательность тРНК, каждый из 20 сортов аминокислот оказывается «приписанным» только определенным тРНК с данным характерным нуклеотидным сочетанием.

Схематически некоторые моменты процесса биосинтеза белка, насколько мы их представляем на сегодняшний день, даны на рис. 19.

Здесь прежде всего видно, что молекула информационной РНК соединена с рибосомой или, как говорят, рибосома «запрограммирована» информационной РНК. В каждый данный момент непосредственно в самой рибосоме находятся лишь относительно короткий отрезок цепи мРНК. Но именно этот отрезок при участии рибосомы может взаимодействовать с молекулами адапторных РНК. И здесь снова главную роль играет уже дважды разбиравшийся выше принцип комплементарности.

В этом и состоит объяснение механизма того, почему данному триплету цепи мРНК соответствует строго определенная аминокислота. Видно, что необходимым промежуточным звеном, или адаптором, при «узнавании» каждой аминокислотой своего триплета на мРНК является адапторная РНК (тРНК).

Далее на схеме (см. рис. 19) видно, что в рибосоме помимо рассмотренной только что молекулы тРНК с навешенной аминокислотой находится еще одна молекула тРНК. Но, в отличие от рассмотренной выше молекулы тРНК, эта молекула тРНК своим концом присоединена к концу находящейся в процессе синтеза белковой (полипептидной) цепочки. Такое положение отражает динамику событий, происходящих в рибосоме в процессе синтеза белковой молекулы. Эту динамику можно представить себе следующим образом. Начнем с некоего промежуточного момента, отраженного на схеме и характеризующегося наличием уже начавшей строиться белковой цепочки, присоединенной к ней тРНК и только что вошедшей в рибосому и связавшейся с триплетом новой молекулы тРНК с соответствующей ей аминокислотой. По-видимому, сам акт присоединения молекулы тРНК к расположенному в данном месте рибосомы триплету мРНК приводит к такой взаимной ориентации и тесному контакту между аминокислотным остатком и строящейся цепью белка, что между ними возникает ковалентная связь. Связь возникает таким образом, что конец строящейся белковой цепи, на схеме присоединенный к тРНК, переносится от этой тРНК на аминокислотный остаток поступившей аминоацил-тРНК. В результате «правая» тРНК, сыграв роль «донора», окажется свободной, а белковая цепь – переброшенной на «акцептор» - «левую» (поступившую) аминоацил-тРНК, в итоге белковая цепь окажется удлиненной на одну аминокислоту и присоединенной к «левой» тРНК. Вслед за этим происходит переброска «левой» тРНК вместе со связанным с ней триплетом нуклеотидов мРНК «вправо», тогда прежняя «донорная» молекула тРНК окажется вытесненной отсюда и уйдет из рибосом, на ее месте появится новая тРНК со строящейся цепью белка, удлиненной на один аминокислотный остаток, а цепь мРНК будет продвинута относительно рибосомы на один триплет вправо. В результате продвижения цепи мРНК на один триплет вправо в рибосоме появится следующий вакантный триплет (УУУ), и к нему немедленно по комплементарному принципу присоединится соответствующая тРНК с аминокислотой (фенилаланил-тРНК). Это опять вызовет образование ковалентной (пептидной) связи между строящейся цепью белка и фенилаланиновым остатком и вслед за этим продвижение цепи мРНК на один триплет вправо со всеми вытекающими отсюда последствиями и т.д. Таким путем осуществляется последовательно, триплет за триплетом, протягивание цепи информационной РНК через рибосому, в результате чего цепь иРНК »прочитывается» рибосомой целиком, от начала до конца. Одновременно и сопряженно с этим происходит последовательное, аминокислота за аминокислотой, наращивание белковой цепочки. Соответственно в рибосому одна за другой поступают молекулы тРНК с аминокислотами и выходят молекулы тРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы тРНК снова соединяются с аминокислотами и опять несут их в рибосому, сами же, таким образом, циклично обращаясь без разрушения и изменения.