Чем отличается функционал ирнк мрнк ррнк

Вакцины против COVID-19 на основе информационной РНК (иРНК): как они работают?

Специалист по инфекционным заболеваниям Тобиас Холь объясняет, что вакцина на основе информационной РНК побуждает собственные клетки организма вырабатывать фрагмент белка, обнаруженный в возбудителе COVID-19, и это вызывает защитную иммунную реакцию.

В вакцинах Pfizer-BioNTech (Comirnaty®) и Moderna против COVID-19 использована информационная рибонуклеиновая кислота (иРНК), вызывающая иммунную реакцию, которая может защитить от заражения в будущем. Специалист центра Memorial Sloan Kettering по инфекционным заболеваниям Тобиас Холь (Tobias Hohl) рассказывает о технологии изготовления вакцин на основе иРНК.

Каков механизм действия вакцин против COVID-19 на основе информационной РНК (иРНК)?

Традиционные вакцины предполагают введение в организм ослабленного или инактивированного возбудителя инфекции. Вакцины на основе информационной РНК (иРНК), например вакцины против COVID-19 Pfizer и Moderna, учат клетки вырабатывать белок, который запускает иммунную реакцию в случае заражения. После введения вакцины в плечо иРНК попадает в клетки вблизи места инъекции и побуждает их начать выработку того же белка, который обнаружен в возбудителе COVID-19. Иммунная система распознает этот белок и начинает вырабатывать антитела, которые могут бороться с вирусом в случае последующего заражения вакцинированного человека.

Правда: ни одна из вакцин никоим образом не взаимодействует с ДНК и не изменяет ее и, следовательно, не может вызывать рак. Информационная РНК — это не то же самое, что ДНК, поэтому она не может объединяться с ДНК и изменять генетический код. Информационная РНК хрупкая — передав инструкции вашим клеткам, она разрушается и выводится из организма (примерно через 72 часа). Информационная РНК даже не попадает в ядро клетки — ту часть, где содержится ДНК. Следовательно, миф о том, что вакцина на основе иРНК может каким-то образом блокировать активность генов, подавляющих раковые опухоли, не соответствует действительности.

Вакцина против COVID-19 не подвергает вас воздействию вируса, вызывающего COVID-19.

Есть ли другие вакцины на основе иРНК?

Это первые вакцины на основе иРНК, которые будут изготовлены и испытаны в ходе крупномасштабных клинических исследований 3 фазы с участием человека. Преимущество технологии использования иРНК в сравнении с традиционными подходами состоит в том, что она обеспечивает более быструю разработку и расширение производства. Разработка вакцин традиционно длилась десятилетиями. То, что мы имеем на сегодняшний день, — невероятное научное достижение.

Почему вакцины на основе иРНК необходимо хранить при такой низкой температуре?

Если иРНК не хранится при низкой температуре, она легко и быстро распадается. После введения в организм это не представляет проблемы, так как иРНК не нужно много времени, чтобы выполнить свою функцию. Однако может возникнуть необходимость сохранять вакцины в стабильном состоянии в течение нескольких дней или даже недель, прежде чем они будут введены. С традиционными вакцинами это практически не имело значения. Ослабленные или инактивированные версии вируса могут оставаться стабильными в течение более длительного времени без низких температур.

В ходе клинических исследований вакцина Pfizer хранилась при –70 градусах Цельсия (–94 градуса по Фаренгейту), что предполагает использование сухого льда. Вакцина Moderna хранилась при –20 градусах Цельсия (–4 градуса по Фаренгейту), что ближе к температуре в обычном холодильнике. Обе вакцины по-прежнему следует хранить замороженными — одобрение вакцины происходит на основании данных, полученных в ходе клинических исследований, поэтому необходимо, чтобы условия оставались такими же.

Идея в том, что первая прививка подготавливает иммунную систему, помогая ей распознать вирус, а вторая усиливает иммунную реакцию. Вторая прививка вакциной Pfizer проводится через три недели после первой; для вакцины Moderna этот интервал составляет четыре недели. Важно, чтобы обе прививки были сделаны одной и той же вакциной, и чтобы были соблюдены те же процедуры, которые обеспечили такие успешные результаты в ходе клинических исследований.

Как люди могут быть уверены в том, что эти вакцины на основе иРНК эффективны и безопасны?

Мы располагаем данными в отношении миллионов людей и знаем, что эти вакцины очень эффективны в предотвращении тяжелой формы COVID-19.

У некоторых людей возникают легкие или умеренные побочные эффекты, но длятся они недолго — около одного–трех дней. Наиболее распространенные побочные эффекты включают боль в месте инъекции, слабость (чувство усталости), головную боль, ломоту и повышенную температуру. Чаще они возникают после второй прививки, и вам, возможно, придется больше отдыхать. Серьезные побочные эффекты возникают редко и поддаются лечению.

Людям важно понимать, что эти данные проверяются независимыми группами специалистов, не связанными с фармацевтическими компаниями, производящими препараты. Это специалисты, которые не имеют никакой заинтересованности в разработке или коммерческой реализации вакцин. Лично я бы не раздумывая вакцинировался любой из этих вакцин и посоветовал бы своим родственникам и коллегам сделать то же самое.

Вакцины являются важным элементом решения проблемы пандемии. Но мы знаем, что ношение масок и мытье рук могут дать нам дополнительную защиту, особенно с учетом появления новых штаммов.

Источник

Чем отличается функционал ирнк мрнк ррнк

ГяРНК свойственна исключительно эукариотам, её нет у прокариот («доядерные» организмы, например бактерии и вирусы). Некоторые вирусы для хранения и передачи генетической информации следующим поколениям используют РНК вместо ДНК.

ГяРНК и её производное — информационная (или матричная) РНК переносят генетическую информацию от ядерной ДНК к цитоплазме.

Количество видов гяРНК равно количеству генов, так как она служит прямой копией кодирующих последовательностей генома. В процессе транскрипции РНК с ДНК ключевую роль играет фермент РНК-полимераза II. Информационная РНК образуется в результате процессинга гяРНК, при котором происходят вырезание некодирующих участков (интронов) и склеивание кодирующих экзонов. Таким образом, в состав иРНК входят кодирующая информация соответствующих видов гяРНК, а также фланкирующий лидерный и трейлерный участки, по этой причине она значительно короче.

Транспортная РНК

Каждая молекула тРНК состоит примерно из 75 связанных между собой нуклеотидов, образующих длинную цепь. В результате взаимодействия входящих в её состав оснований тРНК имеет конформационную структуру «клеверный лист», который затем скручивается в L-форму. Очень часто в состав тРНК помимо Ц, Г, А и У входит ряд редких оснований, некоторые из которых модифицированы путём метилирования. Важная особенность тРНК: «заряженная» молекула несёт на своём 3′-конце аминокислоту, а посередине конформационной структуры «клеверный лист» находятся три специфических основания, именуемые антикодоном. Последовательность оснований в антикодоне напрямую зависит от вида аминокислоты, прикреплённой к 3′-концу.

Так, например, тРНК, антикодон которой имеет последовательность 5′-ЦЦА-3′, может нести только аминокислоту триптофан. Следует отметить, что данная зависимость лежит в основе передачи генетической информации, носителем которой выступает тРНК.

Транскрипция молекул тРНК происходит с кодирующих её последовательностей в ДНК при участии фермента РНК-полимеразы III. Различают более 40 семейств тРНК, которые, в свою очередь, подразделяют на несколько видов.

Рибосомальная РНК

Существует несколько субъединиц рРНК, которые различаются по коэффициенту седиментации (осаждения), измеряемому в единицах Сведберга (S). Данный коэффициент зависит от скорости осаждения субъединиц при центрифугировании в насыщенной водной среде.

Каждая рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Они содержат большое количество белков, синтезированных посредством трансляции иРНК, а также РНК, которая не подвергается трансляции. Термин «рибосомальная РНК» относят именно к нетранслируемому материалу. В малой субъединице находится 18S рРНК, а в большой — 4S, 5,8S и 28S рРНК.

Траскрипция рРНК с ДНК происходит при помощи двух дополнительных РНК-полимераз. РНК-полимераза I транскрибирует 5S, 5,8S и 28S в виде одного длинного 45S-тpaнскрипта, который затем разделяется на необходимые части. Таким образом обеспечивается равное количество молекул. В организме человека в каждом гаплоидном геноме присутствует примерно 250 копий последовательности ДНК, кодирующей 45S-транскрипт. Они расположены в пяти кластерных тандемных повторах в коротких плечах хромосом 13, 14, 15, 21 и 22.
Данные участки известны как ядрышковые организаторы, так как их транскрипция и последующий процессинг 45S-транскрипта происходят внутри ядрышка.

Не менее чем в трёх кластерах хромосомы 1 существует 2000 копий 5S-pPHK гена. Их транскрипция протекает в присутствии РНК-полимеразы III снаружи ядрышка. Затем они доставляются к местам сборки рибосом при помощи рибосомальных белков.
В рРНК насчитывают около 95 псевдоуридиновых участков, образованных посредством изомеризации уридина малой ядрышковой РНК.

Малая ядрышковая РНК. Малая (низкомолекулярная) ядрышковая РНК в основном участвует в направлении или проведении модификаций оснований в рРНК и малой ядерной РНК, таких, как, например, метилирование и псевдоуридинизация. Большинство малых ядрышковых РНК находятся в интронах других генов.

Сигналраспознающая РНК. Сигналраспознающая РНК распознаёт сигнальную последовательность белков, предназначенных для экспрессии, и участвует в их переносе через цитоплазматическую мембрану.

Микро-РНК. Существует примерно 200 микро-РНК человека длиной в 22 основания, производных расщепления рибонуклеазой Н их предшественников (двухцепочечных «зашпиленных» РНК) в соответствии с инвертированными повторами. Они контролируют трансляцию структурных генов путём комплементарного связывания с З’-концами нетранслируемых участков иРНК.

Митохондриальная РНК

Митохондриальная ДНК представляет собой непрерывную петлю и кодирует 13 полипептидов, 22 тРНК и 2 рРНК (16S и 23S). Большинство генов находятся на одной (тяжёлой) цепи, однако некоторое их количество расположено и на комплементарной ей лёгкой. При этом обе цепи транскрибируются в виде непрерывных транскриптов при помощи митохондриоспецифической РНК-полимеразы. Данный фермент кодируется ядерным геном. Длинные молекулы РНК затем расщепляются на 37 отдельных видов, а мРНК, рРНК и тРНК совместно транслируют 13 мРНК. Большое количество дополнительных белков, которые поступают в митохондрию из цитоплазмы, транслируются с ядерных генов.

У пациентов с системной красной волчанкой обнаруживают антитела к снурп-белкам собственного организма. Кроме того, считают, что определённый набор генов малой ядерной РНК хромосомы 15q играет важную роль в патогенезе синдрома Прадера—Вилли (наследственное сочетание олигофрении, низкого роста, ожирения, гипотонии мышц).

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Чем отличается функционал ирнк мрнк ррнк

Большинство процессов метаболизма в организме катализируются белковыми ферментами. Кроме того, белки — основные структурные компоненты тела человека. Аминокислотные последовательности всех белков зашифрованы в ДНК, а процесс превращения закодированной информации в сам белок включает её транскрипцию на гяРНК, процессинг на иРНК, трансляцию на полипептид и окончательную сборку белка.

Строение гена

В отличие от прокариот у эукариот большинство генов имеют участок ДНК, который прерывает кодирующую последовательность. Данные некодирующие фрагменты называют нитронами, в то время как другие, кодирующие участки— экзонами. У обеих групп после кодирующего участка присутствуют лидерная и трейлерная последовательности, а также ряд последовательностей, контролирующих процесс транскрипции.

Гены, которые кодируют белок, называют «структурными генами», их транскрипция происходит при участии РНК-полимеразы II. Участок, расположенный непосредственно перед кодирующей последовательностью (в направлении от 3′- к 5′-концу), называют промотором. Он служит для связывания с факторами транскрипции, которые указывают, где РНКаза II должна начать своё действие.

Среди белков различают белки «домашнего хозяйства», которые присутствуют во всех клетках организма, а также белки «роскоши», осуществляющие специальные функции. В состав промоторов генов, кодирующих белки «роскоши», входит «бокс TATA», имеющий последовательность наподобие 5′-ТАТААА-3′, повторяющуюся на протяжении примерно 25 пар нуклеотидов и предшествующую участку начала транскрипции.

Гены, кодирующие белки «домашнего хозяйства», имеют на подобных участках один или несколько «боксов ГЦ», составляющих последовательность наподобие 5′-ГГГГДТГ-3. Другой распространённый промоторный участок— «бокс ЦААТ» (например, 5′-ЦЦААТ-3′) длиной до 80 пар нуклеотидов, имеющий энхансерные и сайленсерные последовательности на некотором расстоянии от него, которые связывают факторы контроля, взаимодействующие с промотором, образуя петлю ДНК.

Некоторые гены «роскоши» также имеют дополнительные специфические факторы контроля.

Фрагмент, расположенный ниже участка начала транскрипции (5’—3′), называют лидерной последовательностью, он не транслируется. Затем следует кодирующий участок, обычно прерываемый одним или несколькими интронами, а после — некодирующий трейлерный (концевой) участок, на конце которого участок полиаденилирования (поли-А-сайт), имеющий вариабельную последовательность наподобие 5′-ААТАА-3′ (5′-ААУАА-3′ на РНК-транскрипте) длиной 10-30 пар нуклеотидов в направлении 3’—5′.

Интроны начинаются последовательностью ГТА(/Г)ГАГТ и заканчиваются серией из Ц- или Т-оснований, предшествующих АГ. Для удаления интрона значение имеют первые основания Г и Т (Г и У в гяРНК) и последние АГ, а также остаток аденина в составе последовательности ближе к 5′-концу. Участок, находящийся ближе к 5′-концу, известен под названием донор, ближе к З’-концу — акцептор, а остаток аденина называют участком ветви.

У прокариот транскрипция останавливается на особом участке, состоящем из инвертированного повтора трейлера и ряда Т-остатков. К прекращению транскрипции приводит появление петли-«шпильки», образованной путём спаривания оснований в копии иРНК. Подобная структура существует и в трейлерах гистонных генов. У эукариот не обнаружено общего сигнального участка терминации транскрипции.

Транскрипция при синтезе иРНК

Сигналом к началу транскрипции служит комплекс белков-факторов транскрипции, находящийся в промоторе. Молекула РНКазы II связывается с данным транскрипционным комплексом и разрывает двойную спираль. После этого комплекс, уже имеющий в своём составе фермент, движется подобно «застёжке на молнии» в направлении 5’—3′, вызывая разматывание и разделение цепи в месте, где он проходит, а затем восстанавливая структуру двойной спирали сразу после прохождения участка.

Таким образом формируется транскрипционное вздутие. Как только он достигает участка начала транскрипции, происходит отщепление одного из факторов транскрипции и присоединение другого, после чего начинается процесс синтеза РНК.

Используя в качестве матрицы цепь в направлении 3’—5′ (слева направо), РНКаза II поочерёдно захватывает рибонуклеотиды и соединяет их друг с другом, образуя комплементарную последовательность РНК, ориентированную в обратном направлении (то есть от 5′ к 3′).

Другими словами, используя правила комплементарного спаривания оснований при взаимодействии с матричной цепью, РНКаза создаёт точную РНК-копию кодирующей цепи. Фермент транскрибирует лидерный и трейлерный участки, экзоны, интроны и (по всей видимости, напрасно) продвигается дальше в направлении 5’—3′.

Факторы транскрипции при синтезе иРНК

Факторы транскрипции — белки, прикрепляющиеся к промоторной последовательности и запускающие процесс транскрипции. В их состав обычно входят активационный домен и ДНК-связывающий домен. Активационные домены богаты глутаматом, а также аспартатом или пролином, которые облегчают формирование транскрипционного комплекса. Кроме того, различают четыре типа ДНК-связывающих доменов.

• Лейциновая «молния» представляет собой а-спираль, состоящую из аминокислотных остатков, каждый седьмой из которых представлен лейцином, что в свою очередь соответствует каждому второму повороту двойной цепи ДНК. Это позволяет парам оснований сцепляться и образовывать расходящийся участок на конце, который предположительно сжимает нить ДНК наподобие прищепки.

• Спираль-петля-спираль состоит из двух белковых а-спиралей, которые соединены длинной, гибкой петлёй, позволяющей параллельно упаковывать их близко друг к другу. Считают, что данная структура осуществляет контроль процесса транскрипции путём блокирования других регуляторных белков гена.

• Спираль-поворот-спираль состоит из двух коротких а-спиралей, разделённых аминокислотной последовательностью, слишком короткой, чтобы позволить им лежать в одной плоскости. Этот фрагмент — характерный признак гомеобокса (см. главу 12).

• Цинковый палец — структура, напоминающая по строению палец, включающая около 23 аминокислот, удерживаемых четырёхвалентным ионом цинка, который находится в основании «пальца» и обычно связан с четырьмя основаниями цистеина либо двумя — цистеина, двумя — гистидина.

Процессинг РНК

Для того чтобы только что синтезированные гяРНК стали кодирующими матрицами для последующей трансляции и образования полипептидов, они претерпевают ковалентное видоизменение. При этом вначале к 5′-концу в обратном направлении прикрепляется 7-метил-ГТФ (кэп). Как только на цепи гяРНК возникает участок полиаденилирования, она в этом месте расщепляется, а затем при помощи полиА-полимеразы происходит присоединение 100—200 остатков адениловой кислоты и таким образом формируется поли-А-хвост (полнаденильный хвост).

Наряду с кэпом поли-А-хвост предположительно защищает молекулу от разрушения экзонуклеазами, служит так называемым паспортом, необходимым для её попадания в цитоплазму, а позже становится сигнальным участком для рибосомы, указывающим на возможность начала трансляции.

Молекула гяРНК в среднем содержит около 7000 нуклеотидов, количество которых в иРНК сокращается до 1200 путём удаления примерно 50 интронов. Характерная особенность гистонных генов — отсутствие интронов.

Иногда в некоторых транскриптах (особенно при производстве антител) обнаруживают альтернативные механизмы сплайсинга, однако ошибки в данном процессе играют важную роль в развитии многих генетических заболеваний. Так, церебральный паралич и задержка умственного развития при синдроме Жильбера обусловлены внедрением Т—А в нормальную последовательность ТАТАА промотора гена УДФ-гликозилтрансферазы. А-аманитин, содержащийся в бледной поганке (Amanita phalloides), блокирует действие РНКазы II.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

ДНК и гены

ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).

Рис. 2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H₂PO₃–).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).

Правило комплементарности:

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см. видео →

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.

СТРОЕНИЕ РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,

а синтезируемая с нее РНК – последовательность

3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.

2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:

Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

Источник