Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

Нуклеопротеиды

Спирин Александр Сергеевич (р. 1931), советский биохимик, академик АН СССР (1970). Окончил Московский университет (1954), с 1967 г.— директор Института белка АН СССР. Основные работы посвящены биохимии нуклеиновых кислот и биосинтезу белка. Установил структурные превращения рибосом и сформулировал один из основных принципов их строения и самосборки, открыл информосомы. Предложил модель молекулярного механизма работы рибосомы. Лауреат Ленинской премии (1976) и Государ ственной премии СССР (1986).

406 В качестве подтверждения этого предположения недавно были - синтезированы антипептиды для АКТГ и у-эндорфина. Структуры

Нуклеиновые кислоты антипептидов были аыведены из последовательностей РНК, комп

лементарных мРНК для данных пептидов. Оказалось, что соответствующие пептид и антипептид (рис. 22°) образуют в растворе

(1-24)

АКТГ H-Ser Туг Ser Met Glu His Phe Arg Trp Gly Lys Pro Val Gly Lys Lys Arg Arg Pro Val Lys Val Tyr Pro-OH l-Gly Val Hi Leu His Ar, Ala Pro Leu Leu Ala His An; eu Ala кто Ala Glu Val he H" 1 Aro-

прочные комплексы (константа связывания ~ 10н М '), причем антипептид способен конкурировать при связывании даже со специфическими к пептиду антителами. Эти результаты объясняются гидрофобно-гидрофильными взаимодействиями, специфичность которых вытекает из природы самого генетического кода.

Процессы

с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Основная функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Являясь системами динамическими, нуклеиновые кислоты осуществляют все процессы с высокой скоростью и эффективностью, постоянно азаимодействуя с соответствующими белками, прежде всего с фер-ментами. Главными процессами с их участием являются репликация, транскрипция и трансляция.

Репликация

Репликацией называется процесс удвоения ДНК. Принципиальный механизм его вытекает из строения двуспиральной молекулы ДНК (см. с. 335). В результате репликации образуются две молекулы ДНК, представляющие собой точные копии исходной молекулы Каждая из вновь образовавшихся молекул содержит одну цепь исходной ДНК и одну вновь синтезированную цепь. Иными словами, репликация полуконсервативна—половина родительской молекулы сохраняется в дочерней молекуле.

Рис. 229. Структуры фра мент в 1 — 24 АКТГ и антипептида к нему.

Однако этот принципиальный механизм даже в простейших случаях реализуется путем сочетания многих сложных процессов, в которые вовлечены многочисленные ферменты и регуляторные белки.

Лучше всего процессы репликации изучены для наиболее простых систем — бактерий, бактериофагов и внехромосомных генетических элементов бактерий — плазмид.

Принято использовать понятие «репликон», предложенное в 1Ц63 г. Ф. Жакобом, С. Бреннером и Ф. Кьюзеном для обозначения генетической единицы репликации, т. е. сегмента ДНК, который автономно воспроизводится (реплицируется) в процессе клеточного роста и деления. Каждый репликон должен иметь систему «управления» собственной репликацией. Хромосома Е. coli, плазмиды, ДНК бактериофагов представляют собой репликоны разной сложности, способные к автономной репликации в* клетке и имеющие систему инициации. Репликон может содержать в себе гены, кодирующие синтез всех белков, необходимых для репликации (хромосома Е. coli), части таких белков (некоторые сравнительно крупные бактериофаги) или использовать для своей репликации практически только чужие белки (мелкие фаги М13 или С-4. содержащие одно-нитевые циклические ДНК).

Ключевую роль в процессе репликации играют реплицирующие ДНК-полимеразы, которые осуществляют матричный синтез ДНК из дезоксинуклеозидтрифосфатов. Фермент синтезирует нить ДНК, комплементарную родительской нити (называемой матрицей), последовательно присоединяя к З'-концу растущей цепи мононуклео-тидные звенья, комплементарные звеньям матрицы (рис. 230). При этом ДНК-полимераза катализирует нуклеофильную атаку З'-ОН-группы концевого нуклеотида растущей цепи иа сс-фосфатную группу деэоксинуклеозидтрифосфата, отбираемого ферментом на основе его комплементарности соответствующему звену матрицы. В результате отщепляется пирофосфат и образуется фосфодиэфирная саязь. Растущая цепь удлиняется на одно звено, и процесс повторяется с новым дезоксинуклеозидтрифосфатом. Для того чтобы ДНК-поли мера за могла начать синтез, необходимо существование уже готового фрагмента ДНК или РНК, комплементарного матрице и содержащего свободную З'-ОН-группу. Этот фрагмент называют затравкой. В процессе синтеза дочерних цепей родительская даух-цепочечная ДНК расплетается, образуя структуру, по форме напоминающую латинскую букву Y. Такая структура называется репликативной вилкой

407

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Бреннер (Brenner) Сидней (р. 1927), английский ученый, работающий в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. Образование получил в университете Витвотерсрэнде (ЮАР) и Оксфордском университете, с 1957 г. работает в лаборатории молекулярной биологин Медицинского исследовательского совета в Кембридже (Великобритания). Вместе с Ф. Жакобом и М. Меселсоном экспериментально подтвердил идею о существовании РНК-посредника.

-G

-Т = А--C==G-

он

Субстрат NTP

7

7 У\

о' ^ он

Праймер

- ^ ОН ОН 5'

Рис. 230. Синтез комплементарной цепи ДНК, катализируемый ДНК-полимера -зой.

408

Репликация хромосомы Е. coli

Нуклеиновые кислоты

Хромосома Е coli предетавляет собой циклическую двухцепочеч ную ДНК, длина которой равна приблизительно 3,8 ¦ иг звеньев. Хромосома существует в комплексе с белками и клеточной мембраной и довольно плотно упакована (такой упакованный комплекс называется нуклеоидом). Схема репликации хромосомы Е. coli изображена на рисунке 231. Каждый цикл репликации начинается в определенном месте хромосомы, называемом ori. Термин ori обозначает специфические последовательности ДНК-репликонов, служащие сигнаюм инициации репликации (от английского origin of replication). Начавшись, репликация протекает одновременно в даух направлениях, так что образуются и движутся две репликативные вилки. Скорость движения каждой вилки составляет около 800 нуклеотидов в секунду и не зависит от условий роста клеток; таким образом, бактериальная хромосома всегда реплицируется примерно за 40 мин. Образовавшиеся две циклические ДНК разделяются (рис. 232).

Репликация хромосомы Е. coli осуществляется с помощью фер-мента ДНК-полимеразы 111, действующего а ансамбле с множеством других белков, выполняющих функции расплетения цепей ДНК (хеликаза), связывания одиоцепочечной ДНК (SSb белок), синтеза праймера (праймаза), ли ироаания ДНК-фрагментов (ДНК-лигаза) и т. д. Сам фермент ДНК-полимераза III не способен начать репликацию. Инициация репликации начинается с расплетения нитей родительской ДНК а области ori С (рис. 231) и синтеза короткого РНК-транскрипта, который служит праймером (затрав-• кой) для синтеза ДНК. В некоторых случаях (ColEl плазмида,

ДНК нитевидных фагов типа М13) праймер синтезируется клеточ-

Рнс. 231. Схема репликации хромосомы Е. coli (X и Y — две репликативные вилки).

ной ДНК-зависимой РНК-полимеразой, в остальных — специальными срерментами праимазами В Е. coli праймаза актиаируется примосомой — мультимерным белковым комплексом, содержащим около 20 полипептидных цепей (7 различных субъединиц), в функцию которого входит изменение конформации одной из цепей ДНК, необходимое для азаимодейстаия с праймазой (рис. 232).

409

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

После инициации начинается продвижение репликативных вилок— элонгация. Одна из цепей вновь синтезируемой ДНК удлиняется в том же направлении, а котором движется репликативная вилка, причем синтез осуществляется непрерывно. Эту цепь ДНК называют лидирующей. Другвя цепь— запаэдыаающая, синтезируется короткими фрагментами Оказаки (рис. 232). Синтез каждого фрагмента инициируется вблизи начала пли ционной вилки и продолжается в противоположную от нее сторону до тех пор, пока З'-конец вновь синтезируемой ДНК не достигнет 5'-конца предыдущего фрагмента Оказаки. Инициация синтеза этих фрагментов осуществляется праймазой, которая в качестве затравки синтезирует короткие фрагменты РНК, далее они удлиняются ДНК-поли-меразой 111, являющейся основным реплицирующим ферментом Е. coli. Длины фрагментов Оказаки равны примерно 1000 нуклеоти-доа. В репликативной вилке «работают» также еще два белка. Один из них (SSb белок) специфически связывает одноцепочечные ДНК, облегчая расплетение двойной спирали и одновременно защищая одноцепочечные участки от действия нуклеаз. Другой — ДНК-рас-плетающий белок (хеликазы) — движется вдоль двойной цепи.

расплетая ее при одновременном гидролизе АТР (см. с. 408). Наконец, еще один фермент — ДНК-гираза, или ДНК-топоизомера-эа II, предотвращает накопление положительных супервитков, вызыааемое расплетением двойной спирали, образуя в циклической ковален ноэамкнутои ДНК одно цепочечные разрывы и затем снова «сшивая» ее.

Фермент ДНК-полимераза 1 удаляет РНК-затравку и достраивает фрагменты, а ДНК-лигаза соединяет между собой соседние фрагменты Оказаки фосфодиэфирной связью, которая образуется между З'-ги дроке илом одного и 5'-фосфатом другого фрагментов. Терминация синтеза ДНК определяется специфической последовательностью. Детали этого процесса пока неизвестны. Наконец, две дочерние хромосомы, образовавшиеся после репликации, прикрепляются к мембране. Рост участка мембраны между точками прикрепления раздвигает их, и разделение клеток завершает процесс.

Репликация ДНК бактериофагов и плазмид

Наиболее хорошо изучена репликация бактериофагов, содержащих в своем вирионе небольшие (около 5000 нуклеотидных звеньев) циклические одноцепочечиые ДНК. К ним относятся, например, фаг if X 174 и широко используемые в генной инженерии фаги М13 и fd. Их репликация состоит из трех разных по механизму этапов.

На первом этапе при попадании в клетки Е. coli одноцепочечная циклическая ДНК фага, или (+ )-цепь, превращается в двух-цепочечную ковалентно замкнутую сверхспиральную ДНК, так называемую RF-I форму (от английского replica live form). В качестве промежуточного продукте образуется циклическая двухцепочечная ДНК с одним разрывом, или RF-I1 форма. Формы RF-I и RF-I1 образуются в результате синтеза цепи ДНК, которая комплементарна ( + )-цепи; новую цепь называют ( — )-цепью. Второй этап заключается в репликации RF-1 формы для увеличения ее содержания в клетке. Наконец, на третьем этапе синтезируется в больших количествах вирусная (+ )-цепь, которая затем упакоаывается в вирусную оболочку.

Репликация плазмид, используемых в качестве векторов в генной инженерии, протекает значительно медленнее, чем репликация хромосомы Е. coli, и, по-видимому, не требует прикрепления ДНК к клеточной мембране. В частности, репликация плазмиды ColEI протекает только в одном направлении, т. е. осуществляется с образованием одной репликативной вилки. Для репликации ColEI нужны только белки, кодируемые хромосомой, и участок ori плазмиды, где происходит инициация репликации. Инициация синтеза ДНК в этом случае осуществляется с участием РНК-полимеразы Е. coli.

Репликация в эукариотических клетках

ДНК эукариотических хромосом находится в комплексе с равным по весу количеством гистонов. Как уже было отмечено, примерно каждые 200 п. о. ДНК образуют суперспираль, накрученную на октамер гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Такая структурная единица

называется нуклеосомой. Следуя друг за другом, нуклеосомы образуют хроматин (см. с. 400).

Отличительным свойством репликации у эукариот является то, что реплицируются нуклеосомы: при синтезе дочерних цепей они на какое-то время разрушаются, но позади репликативной вилки вновь собираются, причем в сборке участвуют как старые, так и вновь синтезированные гистоны (рис. 233). Таким образом, синтез гистоиов должен быть скоординирован с репликацией. Действительно, ингибирование синтеза гистонов влечет за собой ингибирование репликации, и наоборот.

411

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Так же как у прокариот, репликация состоит из трех основных стадий: инициации, элонгации и терминации. Репликация эукарио-тической ДНК происходит одновременно во многих областях хромосомы и, по-видимому, инициируется на определенных последовательностях ДНК, которые хорошо идентифицированы у ряда вирусов. Инициация, как и у прокариот, требует участия специфических белков.

Элонгация синтеза осуществляется ДНК-полимеразами. В клетках эукариот известно три типа ДНК-полимераз: a, (J и у. Предполагается, что репликацию основной клеточной ДНК осуществляет полимераза а, репарацию повреждений — полимераза р, а репликацию ДНК митохондрий — полимераза у. Так же как и у прокариот, в репликативной вилке одна из цепей является ведущей (лидирующей), а другая — отстающей (запаздывающей) (рис. 234). Лидирующая цепь синтезируется непрерывно, тогда как запаздывающая — фрагментами Оказаки. Эти фрагменты также инициируются короткими РНК, которые синтезируются, по-видимому, РНК-поли-меразой I. В распространении репликативной вилки принимают участие дестабилизирующие двойную спираль ДНК связывающие белки.

Транскрипция

Процесс биосинтеза РНК в клетке называется транскрипцией. Его результатом является образование РНК, комплементарных отдельным участкам ДНК. При этом в каждом участке РНК комплементарна только одной определенной нити ДНК.

412 Процесс биосинтеза РНК осуществляется ферментами— РНК-

- полимеразами, которые используют ДНК в качестве матрицы. Как

Нуклвиновыв кислоты и в случае репликации, механизм образования фосфодиэфирных

связей включает в себя катализируемую ферментом нуклеофиль-ную атаку 3 гидроксильной группы растущей цепи на а-фоссратную группу присоединяемого субстрата (рибонуклеозидтрифосфата). При образовании фосфодиэфирной связи от трифосфата отщепляется неорганический пирофосфат. Каждый вновь присоединяемый нуклеозид комплементарен тому звену матрицы, которое является ближайшим 5'-соседом только что скопированного звена. Цепь РНК растет в направлении 5'-*- 3' по мере движения РНК-полимеразы по копируемой цепи ДНК в направлении от З'-конца к 5'-кон-цу Схема процесса транскрипции показана на рисунке 234.

Как и репликация, транскрипция состоит из трех основных этапов: инициации, элонгации и термииации. В отличие от ДНК-полимераз, РНК-полимеразы способны к самостоятельной инициации синтеза РНК, которая осуществляется в определенных точках ДНК. Место инициации синтеза РНК определяется специальными регуляторными участками ДНК — промоторами. Тсрминация синтеза также происходит на специфических участках ДНК — терминаторах. Процесс транскрипции регулируется разнообразными способами, что позволяет клетке приспосабливаться к изменениям условий существования. Наиболее хорошо изучены транскрипция и способы ее регуляции у бактерий и бактериофагов.

5'd. A—G—С —Т —Т —С —G 3' ... Т -C-G-A-A-G-C

р-р—р :ОН I I

U A—U-C—G —А —А —А -С — А—

страница 54
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)