ДНК, РНК И БЕЛКИ

Общие понятия об устройстве ДНК уже были приведены в предыдущем посте. Ген (лат.genos - род, происхождение) - это фрагмент ДНК, несущий информацию о структуре конкретного белка, которая записана в виде чередования азотистых оснований. Средняя длина гена составляет около 50 тысяч оснований; в зависимости от кодируемого белка, эта длина может варьироваться от всего лишь десяти оснований до 2.5 миллионов. В геноме человека содержится порядка 20 тысяч активных генов. При этом, говоря "ген", чаще всего имеют в виду именно белок-кодирующие гены, которые составляют лишь небольшую часть активных генов - около 10%. Все прочие гены кодируют РНК, которая не несёт в себе информации о белках, но выполняет множество других функций.

Ген условно делятся на тройки нуклеотидов - триплеты, или кодоны; один кодон соответствует одной аминокислоте в структуре белка. Правила, по которым кодоны и аминокислоты соотносятся друг с другом, называются генетическим кодом: так, кодон GCT соответствует аланину, AGT - серину, АТТ - изолейцину, и так далее. Генокод универсален практически для всех живых существ на Земле - лишь в некоторых случаях (например, у митохондрий) встречаются незначительные отклонения от этих стандартов. Путём простого подсчёта можно убедиться, что три позиции, по четыре буквы на каждую, дают 64 возможные комбинации; в то же время, при синтезе белков в теле человека используются всего 20 стандартных аминокислот - они так же называются протеиногенными. Вследствие этого, многие кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту - на глицин, к примеру, приходится 4 кодона, на лизин - 2, а на серин - целых 6. В то же время, один кодон может кодировать только одну аминокислоту - это свойство называют эффектом вырожденности генетического кода.

Началом гена служит старт-кодон ATG, который является для ферментов сигналом к началу чтения; в то же время, находясь не в начале гена, ATG кодирует аминокислоту метионин - таким образом, его функция зависит от положения. За старт-кодоном идёт транскрибируемая область, в которой, собственно, и записана информация о белке. Она завершается стоп-кодоном - TAG, TGA или ТАА, - который обозначает конец гена и служит сигналом к завершению чтения; эти кодоны так же называют бессмысленными, или нонсенс-кодонами, поскольку они не соответствуют ни одной аминокислоте. Есть один важный аспект в чтении гена: кодоны никак не разделены, их группирование достаточно условно: в теории, чтение может быть начато не с первого, а со второго или третьего азотистого основание, что сдвинет так называемую рамку считывания и полностью изменит структуру последующих кодонов - а значит, и аминокислот в белке. Поскольку такой сдвиг, скорее всего, приведёт к созданию нефункционального или даже вредного для клетки белкового продукта, существует интересная система, вписанная в саму структуру гена: при смещении рамки считывания, на всём протяжении транскрибируемой области образуются многочисленные стоп-кодоны, которые быстро обрывают чтение и снижают энергозатраты на синтез некорректного белка. Пример такого рода приведён на одной из иллюстраций.

В ДНК присутствуют многочисленные цис-регуляторные элементы, контролирующие активность (экспрессию) генов. Важнейшим из них является промотор, который регулирует начало транскрипции, связываясь с белком-супрессором, который до этого момента препятствует чтению гена; в определённом смысле, именно промотор является началом гена, в то время как концом - терминатор, т.е. стоп-кодон. Другие элементы усиливают экспрессию гена (энхансеры), подавляют её (сайленсеры) или даже блокируют связь энхансера с каким-то определённым промотором (инсуляторы). Цис-элементы могут располагаться как в непосредственной близости от контролируемого гена, так и на расстоянии в несколько миллионов пар нуклеотидов: контакт между ними достигается путём образования дополнительных петель и физического сближения участков ДНК.

Поскольку в человеческих клетках хромосомы содержатся парами, один ген может присутствовать в двух разных вариантах; участок хромосомы, содержащий ген, называется локусом, а гены в этом локусе у гомологичных хромосом - аллелями. Если аллели в локусе идентичны, то клетка называется гомозиготной по данному локусу; если же в аллелях, доставшихся ребёнку от отца и от матери, присутствуют некоторые различия, то имеет место гетерозиготность. Именно поэтому парные хромосомы называют гомологичными, а не идентичными - они похожи, но не одинаковы. С взаимодействием аллелей связано проявление тех или иных черт родителей у потомства. Один аллель может подавлять другой, препятствуя синтезу его белка - эта форма взаимоотношений называется доминированием, главенствующий аллель - доминантным, а подавляемый им - рецессивным. При неполном доминировании рецессивный ген частично проявляет себя; при кодоминировании отсутствуют доминантно-рецессивные отношения как таковые, оба гена проявляются в равной степени. В качестве таких взаимоотношений можно привести ребёнка от мужчины-европиоида и чернокожей женщины: он может родиться как чёрным (полное доминирование гена матери, отвечающего за цвет кожи, над геном отца), так и мулатом, причём оттенок кожи может быть как промежуточным между белым и чёрным (кодоминирование), так и смещённым к одной из сторон (неполное доминирование). Возможно аналогичное или более сложной взаимодействие между неаллельными генами, расположенными в разных локусах, и даже между парами генов. В целом, фенотип (т.е. физические характеристики) - это его генотип с поправкой на воздействие внешних факторов; поэтому даже близнецы с одинаковым набором генов могут выглядеть и развиваться по-разному. Перетасовка генов у новых и новых поколений порой играет забавные шутки с людьми - например, у белой пары может родиться чёрный ребёнок, и сосед-африканец тут ни при чём. Просто среди предков одного из родителей были негры, и на протяжении нескольких поколений ген, отвечающий за чернокожесть, передавался по наследству, но не проявлял себя - пока не оказался в паре с таким же рецессивным геном и не начал экспрессировать.

Для передачи информации от ДНК к рибосомам служит рибонуклеиновая кислота - РНК. От ДНК она отличается в первую очередь тем, что "скелет" нуклеотидов состоит из сахара-рибозы, а не дезоксирибозы. Эта относительно недолговечная молекула, как правило, является одноцепочечной, хотя может... Кхм, образовывать связи сама с собой. Процесс синтеза РНК именуется транскрипцией (лат. transcriptio - переписывание): в ходе него комплекс ферментов, двигаясь вдоль цепи ДНК, находит нужный ген, прочитывает его и синтезирует РНК-копию - с тем исключением, что в РНК вместо тимина идёт урацил (замена Т на U в кодонах). РНК, предназначенная для передачи данных рибосомам, именуется кодирующей, или матричной (мРНК).

После синтеза она подвергается ряду модификаций (процессингу): к 5'-концу присоединяется модифицированный нуклеотид - кэп, а к 3'-концу - цепочка адениновых нуклеотидов, именуемых поли-(А)-хвостом; оба они служат для узнавания мРНК при транспортировке в цитоплазму и для продления жизни молекулы. Важнейший же этап созревания матричной РНК - сплайсинг. Дело в том, что гены, по мере кодирующих последовательностей - экзонов, содержат так же некодирующие участки - интроны; в ходе сплайсинга белковый комплекс - сплайсосома - вырезает эти бессмысленные фрагменты. Особенность процесса заключается в том, что вместе с интронами могут вырезаться и некоторые экзоны - это называется альтернативным сплайсингом. Таким образом, на основе одного гена может синтезироваться несколько разных белков, и белковое разнообразие в клетке увеличивается без изменения генома. У человека альтернативному сплайсингу подвержены 94% генов; оставшиеся 6% не имеют интронов. После всех модификаций мРНК транспортируется в цитоплазму, где связывается с рибосомой и служит матрицей для трансляции белка - этот процесс описывался в одном из ранних постов.

Кроме матричной, непосредственное участие в трансляции принимают ещё две РНК - транспортная и рибосомная. тРНК предназначена для доставки к рибосомам аминокислот, из которых собирается белок. Она имеет довольно сложную, крестообразную вторичную структуру наподобие листа клевера, с тремя петлями и несколькими шпильками, образуемыми за счёт комплементарного связывания рибонуклеиновой цепи с самой собой. Верхняя петля тРНК содержит антикодон - последовательность оснований, комплементарную кодону той или иной аминокислоты; таким образом, существует 61 тип тРНК, по числу кодирующих кодонов. Антикодон распознаётся ферментом синтетазой, которая прикрепляет соответствующую аминокислоту к акцепторному стеблю тРНК - её "черенку", образованному близко расположенными 3'- и 5'-концами. Что же касается рибосомной РНК, то она, вместе с белками, входит в состав рибосом. рРНК имеет чрезвычайно сложную вторичную структуру, образуя четыре отдельных домена с многочисленными шпильками и петлями.

Существует множество других типов РНК; как уже упоминалось ранее, из всех производящих РНК генов лишь малая часть кодирует белки. Малые ядерные РНК участвуют в сплайсинге: они объединяются со специфичными белками, образуя рибонуклеопротеиновые комплексы, которые и осуществляют вырезание интронов. Короткие интерферирующие РНК входят в состав своего рода иммунной системы клетки, характерной для беспозвоночных: связываясь с РНК вируса, проникшей в клетку, они служат маркером для уничтожения чужеродной молекулы. МикроРНК подавляют экспрессию гена, связываясь с его мРНК, что препятствует посадке на него рибосомы. Существуют и другие типы некодирующих РНК, выполняющих разнообразные функции.

Конечным продуктом цикла являются белки - их так же именуют протеинами и полипептидами. Первичная структура белка - цепочка аминокислот; однако сразу после синтеза она подвергается сворачиванию, либо в ЭПС, либо прямо в цитоплазме. Вначале белок приобретает вторичную структуру - как правило, либо спиралевидную (альфа-спирали), либо в виде многочисленных складок (бета-листы); впрочем, разные участки одной цепи могут укладываться по-разному. Затем происходит окончательное сворачивание с приобретением третичной структуры - она делит белки на фибриллярные (нитевидные) и глобулярные (шарообразные). Первые выполняют структурную функцию - кератины в составе ногтей и волос, коллаген и эластин в соединительной ткани; вторые же могут иметь самое разное назначение. Кроме того, многие белки имеют четверичную структуру, когда несколько отдельных молекул объединяются в белковый комплекс - домен. Следует отметить, что один белок может иметь несколько изоформ - т.е., при одинаковой первичной структуре, сворачиваться по-разному и приобретать различный трёхмерный вид, а в ряде случаев - и разные функции. Это ещё больше увеличивает разнообразие белковых продуктов, делая протеом (полный набор белков организма) значительно больше генома.

По мере основной, белок содержит боковые цепи - небольшие отростки, участвующие в укладке и работе пептида. Кроме того, белки делятся на простые (состоят только из пептидных цепочек) и сложные: эти содержат так называемые простетические группы, т.е. вещества не аминокислотного происхождения - липиды, глюкозу, фосфорную кислоту. Например, в гемоглобине, переносящем молекулы кислорода и углекислого газа, простетической группой является железосодержащий гем, который и придаёт нашей крови красный цвет.

Функции белков крайне многообразны. На первом месте, разумеется, стоят ферменты (так же именуются энзимами), которые служат катализаторами, ускоряя различные химические процессы - то есть выполняют фактически всю активную работу в клетке, связанную с затратами АТФ. Ферменты имеют область, именуемую активным центром, где они связывают исходное вещество (субстрат) и воздействуют на него, катализируя необходимые реакции - получившееся в результате вещество именуется продуктом. Деятельность ферментов в конечном итоге может как способствовать, так и препятствовать протеканию тех или иных биохимических процессов в организме. Поскольку эта деятельность крайне важна, существуют сложные механизмы её регуляции. Молекулы-ингибиторы занимают активный центр фермента вместо субстратов, либо же изменяют конформацию белка, не давая ему выполнять свою функцию; активаторы, напротив, ускоряют каталитические реакции, улучшая связывание фермента с субстратом или служа донором электронов.

Кроме каталитической, белки выполняют структурную функцию - цитоскелет, гистоны, межклеточное вещество, составляющее основу соединительной ткани; белки внеклеточного матрикса, к слову, являются самыми многочисленными в организме. Протеины служат мембранными каналами и рецепторами, а так же сами передают сигналы между клетками и внутри клетки в виде белковых гормонов или цитокинов - аналога гормонов у клеток иммунной системы. Изменение формы клетки и сокращение мышц возможно благодаря работе белковых актомиозиновых комплексов. Динеины и кинезины транспортируют молекулы и органеллы по микротрубочкам. Ну а в яйцеклетках белки служат источником энергии и строительного материала для развития плода.

Комментарии: