Microbiology

Репликация ДНК. У бактерий, так же как и у высших организмов, носи телем генетической информации служит ДНК. Рассматривая структуру клетки, мы уже говорили о том, что бактериальная ДНК представляет собой двойную спираль, замкнутую в кольцо. Сразу же возникает во прос: как сохраняется наследственная информация при росте и размно жении клеток? Перед их делением происходит идентичная редупликация,или репликация, генов. Этот процесс можно удовлетворительно объяс нить, исходя из модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, и из механизма удвоения ДНК, теперь уже известного. Две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. На каждой цепи из структурных элементов ДНК-дезоксирибонукле-озидтрифосфатов-синтезируется новая цепь; при этом с каждым из ос нований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей опять-таки будет комплементарна родительской цепи. Обе новые двойные спирали состоят из одной родительской и одной вновь синтезированной цепи. Эта точная репликация ДНК га рантирует сохранение генетической информации.

Транскрипция ДНК. Возникает еще один вопрос: каким образом со держащаяся в генах информация определяет специфическую активность и другие свойства ферментов и как она преобразуется в аминокислот ную последовательность ферментного белка? ДНК, будучи носителем наследственной информации, тем не менее сама не служит матрицей для синтеза полипептидов. Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые непосредственно с ДНК не соприкасаются. Передачу записан ной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет матричная, или информационная, рибонуклеиновая кислота (мРНК). Она со стоит из одной цепи и очень напоминает одиночную цепь ДНК с тем отличием, что тимин (Т) ДНК в РНК заменен урацилом (U). мРНК син тезируется на одной из цепей ДНК, причем механизм этого процесса сходен с механизмом репликации ДНК. Образование мРНК начинается на 5'-ОН-конце, и по последовательности оснований ее цепь комплемен тарна цепи ДНК. Таким образом, при синтезе мРНК просто копируется нуклеотидная последовательность ДНК. Этот процесс называют тран скрипцией и противопоставляют его трансляции - переводу нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот:

Генетический код. Каждый ген представлен определенным участком молекулы ДНК. Специфическая информация, содержащаяся в гене, определяется последовательностью оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК. включает четыре

 «буквы»-основания аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) и цитозин (С). В мРНК тимин заменен урацилом (U).

Специфичность ферментных белков, синтез которых контролируют гены, определяется последовательностью аминокислот в полипеп тидных цепях. Эта же последовательность определяет и пространствен ную структуру белка, так называемую конформацию (вторичную, тре тичную и четвертичную структуру).

Для перевода с языка нуклеиновых кислот на язык аминокислот слу жит специфический код. Каждая аминокислота определяется группой из трех соседних нуклеотидов - триплетом, или кодовом. Та или иная по следовательность триплетов в нуклеиновой кислоте однозначно опреде ляет последовательность аминокислот в полипептидной цепи; послед няя, таким образом, представляет собой колинеарное отображение нуклеиновой кислоты. В триплетах возможны 64 различные комбинации нуклеотидов (табл. 15.1). Если бы каждая из 20 аминокислот кодирова лась лишь одним-единственным триплетом, то 44 возможные комбина ции остались бы неиспользованными. Но оказалось, что многие амино кислоты кодируются двумя или большим числом различных триплетов. Некоторые триплеты имеют особый смысл-они означают «начало» или «конец» полипептидной цепи. Триплеты считываются как 1, 2, 3; 1, 2, 3 и т.д. от начала молекулы мРНК.

Трансляция мРНК: синтез белка. Аминокислоты соединяются в поли пептидную цепь в порядке, определяемом триплетами мРНК. В этом процессе участвуют мРНК, транспортные РНК (тРНК). рибосомы, ряд ферментов, АТР и другие факторы. Сначала аминокислоты при участии АТР активируются с образованием аминоацил-АМР:

Аминокислота + АТР -> Аминоацил-АМР + РР;

От AMP аминоацильная группа переносится на концевой нуклеотид тРНК. Активация и присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК осуществляются с помощью специфического фермента-амино-ацил-тРНК-синтетазы, которая распознает, с .одной стороны, амино кислоту, а с другой - соответствующую тРНК. Имеется 20 различных аминоацил-тРНК-синтетаз, по одной для каждой аминокислоты. Как уже упоминалось, некоторым аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов (т.е. генетический код, как говорят, «вы рожденный»); для каждой из таких аминокислот имеется несколько тРНК. Различные тРНК, предназначенные для одной и той же амино кислоты, называют также изоакцепторными тРНК. Таким образом, со ответствующая синтетаза может присоединять аминокислоту к несколь ким изоакцепторным тРНК. В молекуле тРНК имеется участок, комплементарный кодону мРНК (антикодон). Соединение аминокислот происходит на рибосомах (рис. 15.1). Рибосома перемещается вдоль мРНК. начиная с 5'-ОН-конца, и при каждом ее перемещении на один триплет очередная аминокислота устанавливается транспортной тРНК в нужное положение и присоединяется своей аминогруппой к карбок сильной группе предшествующей аминокислоты (образуется пептидная связь). Так растет полипептидная цепь по мере продвижения рибосомы вдоль мРНК. По-видимому, одновременно происходит закручивание этой цепи и свертывание ее в клубок, определяемое последователь ностью аминокислот и природой их боковых цепей (гидрофобные и гид рофильные группы), и в результате возникает структура, обусловли вающая специфические свойства и функцию данного белка. К мРНК обычно прикрепляется несколько рибосом, так что на одной и той же матрице одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей. Такой комплекс одной мРНК с рибосомами называют полисомой. На конце мРНК находится кодон, от которого зависит отделение сформи рованной полипептидной цепи от рибосомы (UAA, UAG или UGA). Таким образом, нуклеотидная последовательность ДНК представ ляет собой закодированную «инструкцию», определяющую (при посред­стве мРНК) структуру специфического белка. Представление о передаче информации от ДНК через РНК на белок называют «центральной до гмой» молекулярной биологии. Таким путем происходит перенос ин­формации у всех организмов, у которых генетическим материалом слу жит ДНК. Этот универсальный процесс передачи информации при репликации ДНК, транскрипции и трансляции представлен на приведен­ной выше схеме красными стрелками. Эта схема применима к эукариотам, прокариотам и ДНК-вирусам.

Среди РНК-вирусов есть такие, у которых РНК реплицируется прямо на матрице РНК. Однако у некоторых онкогенных (опухолеродных) РНК-вирусов вначале происходит синтез ДНК, контролируемый РНК, т.е. РНК служит ма трицей для синтеза ДНК. Таким образом, информация, содержащаяся в вирус ной РНК, передается на ДНК путем обратной транскрипции (при помощи фер мента обратной транскриптазы; см. упомянутую выше схему). Этот фермент можно выделить из клеток опухолей, вызываемых РНК-вирусами. Он находит применение в генной инженерии. Если, например, в качестве но сителя информации выделяют не фрагмент ДНК, а соответствующую мРНК, то последняя должна быть «переписана» в ДНК, которая и встраивается в плазми-ду. При помощи обратной транскриптазы удается получить нужную ДНК in vitro.

У прокариотических организмов обратная транскрипция не найдена.