1625913344-8903f4a71ad640872a209e228a3a0bd4 (531148), страница 80
Текст из файла (страница 80)
coli. Большой вкладв расшифровку субъединичной структуры этого фермента внесла группа советских исследователей под руководством Р. Б. Хесина. РНК-полимераза Е. coli состоит из четырех субъединиц: двуходинаковых — а, которые объединены в молекуле так называемогоминимального фермента еще с двумя различными субъединицами:Р и |3\ Такой минимальный фермент (2а Р Р’) с молекулярной массой480000 Д осуществляет транскрипцию, но не способен «узнавать»на ДНК специфические стартовые позиции начала этого процесса.Для «узнавания» стартовых участков, или промоторов, к минимальному ферменту должна присоединяться еще одна субъединица —а (сигма)-фактор.Нуклеотидные последовательности промоторов обычно богаты парами АТ.
Их называют также ТАТА-последователъностями,или последовательностями Прибнова. Примеры некоторых из нихпредставлены на рисунке 16.9. После инициации транскрипциио-фактор покидает минимальный фермент, и дальнейшую элонгацию, т. е. наращивание РНК, производит тетрамер РНК-полимеразы(рис. 16.10). Скорость роста цепи РНК у Е. coli при 37 °С составляет около 40-45 нуклеотидов в секунду. (Сравните ее со скоростьюрепликации — гл. 5.)Завершается процесс транскрипции после присоединения другого белкового фактора — р (ро)-фактора, или фактора терминации(рис. 16.10).
Терминация транскрипции происходит в специальныхГлава 16. Теория генаfdTGCTTСТGACTATAATAGACAGGGTAAAGАССТGATTTTTGАТ7 АЗAAGTAAACACGGTACGATGTACCACATGAAACGACAGTGAGTCAТ7 А2AGTAACATGCAGTAAGATACAAATCGCTAGGTAACACTAGCAGlac UV5GCTTCCGGCTCGTATAATGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAAA. PRSV 40X PLЕ. coli тРНКТир/ас дикий тип439ACCTCTGGCGGTGATAATGGTTGCATGTACTAAGGAGGTTGTTTATTGCAGCTTATAATGGTTACAAATAAAGCAATAGCATCACCACTGGCGGTGATACTGAGCACATCAGCAGGACGCACTGACCGTCATTTGATATGATGCGCCCCGCTTCCCGATAAGGGAGCAGGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAAРис. 16.9. Нуклеотидная последовательность нескольких молекул ДНК (F.
Ayaia,J.Kiger, 1980)Рамкой обозначены промоторы, к которым присоединяется РНК-полимераза, и началотранскрипции; подчеркнут первый считываемый нуклеотидучастках ДНК — терминаторах транскрипции, содержащих инвертированные повторы.У Е. coli одна РНК-полимераза синтезирует все три основныхтипа молекул клеточной РНК: иРНК, рРНК, тРНК.Дискретный характер молекул РНК — продуктов транскрипции — хорошо виден на электронных микрофотографиях хромосомтипа ламповых щеток (см. гл.
4). На рисунке 16.11 показан фрагменттранскрибируемой петли такой хромосомы. Видно, что транскрипты образуют градиент с постепенным удлинением и компактизациейРНК в пределах единицы транскрипции.У эукариот известны три типа РНК-полимераз: I — ответственная за синтез рРНК, II — ответственная за синтез иРНК, III —ответственная за синтез тРНК и низкомолекулярной рРНК — 5SРНК. Общее число белков, входящих в состав эукариотическихРНК-полимераз, а также различных белковых факторов, участвующих в транскрипции на разных стадиях, достигает несколькихдесятков.Поскольку РНК — продукт транскрипции — синтезируется наматрице ДНК, следует ожидать высокой степени корреляции нуклеотидного состава этих двух полимеров. Однако исследования,предпринятые в конце 50-х гг. XX в А.
Н. Белозерским и А. С. Спи-440 «Часть 4. Структура и функция генаРНКДНКххш ш хш ххдИнициация, ДНК35'5'3'Терминацияро-факторРис. 16.10. Схема процесса транскрипции у £ coliа, р, р \ ст, р — субъединицы РНК-полимеразы1 М КМ •*1 мкмГЛ'Ш•*■..tv•Рис. 16.11. Активно транскрибируемый участок на хромосомах ламповых щеток изооцитов курицы (фото Е. Р. Гагинской и А. Г. Цветкова, 1986)А — хорошо выражена асимметрия боковых петель, транскрипционные единицыимеют характерный вид «елочек», длина боковых фибрилл рибонуклеопротеидаувеличивается в направлении транскрипции.
Отчетливо виден градиент размеровтранскрипта, увеличивающегося по мере продвижения (стрелки) РНК-полимеразы.Б — петли со слабо выраженной поляризациейГлава 16. Теория генаft 441риным, показали лишь небольшую корреляцию нуклеотидного состава РНК и ДНК из различных источников. Это указывало на то,что только небольшая фракция клеточной РНК в каждый данныймомент отражает состав ее ДНК. Тогда же Э. Волкин и Ф. Астрахан, изучая синтез РНК в бактериях Е. coli, зараженных фагом Т2,выявили в клетках новую фракцию РНК, состав которой подобенсоставу ДНК фага.
Эта РНК была очень нестабильной. Так былаоткрыта информационная (или матричная) РНК— иРНК (илимРНК), переносящая информацию от ДНК к рибосомам, на которыхсинтезируется белок. Поскольку подавляющую часть клеточнойРНК представляют стабильные рРНК и тРНК, общая корреляциясостава ДНК и РНК оказывается незначительной. В дальнейшему эукариот были открыты особые типы стабильной иРНК, например иРНК глобинов, присутствующая в безъядерных эритроцитахмлекопитающих.16.6. Трансляция иРНКТрансляцией называется синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей и РНК.
При этом информация переводится счетырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.В этом процессе различают три стадии.1. Стадия активации аминокислот — образование аминоациладенилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ подконтролем фермента, специфического для каждой аминокислоты.Эти ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы — участвуют и вследующей стадии.2. Стадия аминоацилирования тРНК— присоединение аминокислотных остатков к тРНК вследствие взаимодействия тРНК икомплекса аминоацил-тРНК-синтетазы с аминоациладенилатами.
Каждый аминокислотный остаток присоединяется к своемуспецифическому классу тРНК.3. Собственно трансляция, или полимеризация, аминокислотныхостатков с образованием пептидных связей и, таким образом,полимеризация полипептидных цепей. Эта стадия осуществляется на рибосомах под контролем матрицы иРНК в соответствии с правилами считывания генетического кода (см. следующий раздел).Таким образом, основными участками процесса трансляции являются иРНК, рибосомы, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы.442 ftЧасть 4.
Структура и функция генаРоль транспортным РНК в синтезе белка была отведена еще доих открытия. В 1955 г. Ф. Крик в неопубликованной статье постулировал существование олигонуклеотида — адаптора, который можетнести аминокислоту и образовывать водородные связи с кодирующей полинуклеотидной матрицей. Изобретение адаптора было необходимо в связи с невозможностью обнаружить между аминокислотами и нуклеиновыми кислотами стереохимическое соответствие,достаточное для того, чтобы обеспечить считывание генетическогокода. В 1957 г.
в лаборатории М. Хогланда было показано, что присинтезе белка активированные аминокислоты переносятся на особый тип низкомолекулярной РНК, получивший тогда наименованиерастворимой РНК и называемой теперь транспортной РНК.Адапторная гипотеза была доказана в начале 1960-х годов в экспериментах Ф. Шапвиля, Г. фон Эренштейна и др. В одном из экспериментов цистеиновую тРНК нагружали цистеином. Затем цистеиновый остаток при помощи никеля Ренея превращали в аланиновый.Таким образом получали комплекс Ала-тРНКЦис, который далееиспользовали в бесклеточной системе из ретикулоцитов кроликадля синтеза гемоглобина. В результате в синтезируемых молекулахаланин замещал цистеин. Следовательно, судьбу аминокислотногоостатка в составе аминоацил-тРНК всецело определяет специфичность тРНК, выполняющей функции адаптора.В соответствии с адапторной гипотезой каждая тРНК должна обладать участком — антикодоном, комплементарным кодону иРНК,который определяет включение в растущую полипептидную цепьодного аминокислотного остатка.Все тРНК как про-, так и эукариот имеют сходную структуру.
Онисостоят из около 80 оснований, различаются по составу оснований,часть которых модифицирована. Модификация оснований происходит уже после синтеза тРНК в ее определенных положениях. Схематически структуру тРНК принято изображать в форме «клеверного листа» в соответствии с возможностью образования водородныхсвязей между основаниями (рис. 16.12). Пространственная конфигурация молекулы тРНК, выясненная на основе рентгеноструктурногоанализа, показана на рисунке 16.13.Главным участником процесса трансляции, его организующимцентром, является рибосома. Этот сложный молекулярный агрегат, состоящий из белков и рибонуклеиновых кислот, в ходе всейтрансляции выполняет множество функций.
Наиболее подробноисследованы структура и функция рибосом у бактерий, особенноу Е. coli.Глава 16. Теория гена$5 443В состав каждой рибосомыс коэффициентом седиментаАА,ции 70S, состоящей из двух< 3'субчастиц 50S и 30S, входятоодве молекулы рРНК, ассоции5'<рованные с белками. Субчао—оCD— Остица 50S включает молекулурРНК с коэффициентом седио—оо—оментации 23S (1,1 х 106Д )и 34о—о0—0О v Ь- различных белка. Субчастица| чэ п п э э,9 V. >030S содержит молекулу рРНК с£I AI AI GI GI vО000ПqG*Окоэффициентом седиментации1 IIIЛфоGGGA.О.о16S (0,55 х ю 6 Д) и 21 белок.^ о ЛЛНабор белков в субчастицах0 -0 V / > 030S и 50S не перекрывается.С большей субчастицей 50S у0—0>—9Е.
coli связана низкомолекуO*лярная 5S РНК (4 х Ю4 Д), аQ, Uу эукариот (ее коэффициентседиментации — 60S) еще и 5,Антикодон8S РНК.На разных стадиях трансляРис. 16.12. Вторичная структурации, кроме постоянных структРНКТир, представленная в конфигурациитурных компонентов, присутклеверного листаЗвездочкой помеченыствующих в каждой из двух еемодифицированные основания, ф —субъединиц, рибосома содерпсевдоуридин, модифицированноежит ряд белковых факторовоснование, производное урацилатрансляции, которые необходимы для инициации, элонгации итерминации полипептидов.Структура рибосом разных организмов представляет собой пример вариаций на заданную тему (табл. 16.2).
Судя по данным электронной микроскопии, форма рибосом и рибосомных субчастиц изразных источников очень сходна. Модель рибосомы, построеннаяв Институте белка РАН на основе исследований под руководствомА. С. Спирина, представлена на рисунке 16.14.Трансляция на рибосомах, как и все матричные процессы, состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации. Все этиэтапы осуществляются в соответствии с сигналами, закодированными в иРНК в виде последовательностей нуклеотидов — кодонов, составляющих словарь генетического кода.Аминокислотныйостаток444 $Часть 4. Структура и функция генаРис. 16.13.
Схема пространственной структуры фенилаланиновой тРНК дрожжей (видслева и справа) (G. S. Quigley et al., 1975)Цифры — номера нуклеотидов, составляющих первичную структуру, поперечныелинии в спиральных участках — замкнутые водородные связи между основаниямиТаблица 16.2Структура рибосом различных объектов (С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
