Вотпрос №67 РНК виды РНК и их биологическая роль.

Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — нуклеиновые кислоты, полимерынуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) подвергаются сплайсингу и принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез 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.

Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые ядерные РНК принимают участие в сплайсингеэукариотическихматричных РНК и других процессах.

Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.

Матричная (информационная) РНК — РНК, которая служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным машинам, синтезирующим белки живого организма. Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка [29]. Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибироваться с отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов [30]. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции[31]. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК[32]. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимами.

Роль разных типов РНК в синтезе белка (по Уотсону)

Информация о последовательности аминокислот белка содержится в мРНК. Три последовательных нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках транскирибированный предшественник мРНК или пре-мРНК процессируется с образованием зрелой мРНК. Процессинг включает удаление некодирующих белок последовательностей (интронов). После этого мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму, где к ней присоединяются рибосомы, транслирующие мРНК с помощью соединённых с аминокислотами тРНК.

В безъядерных клетках (бактерии и археи) рибосомы могут присоединяться к мРНК сразу после транскрипции участка РНК. И у эукариот, и у прокариот цикл жизни мРНК завершается её контролируемым разрушением ферментами рибонуклеазами[29].

Транспортные (тРНК) — малые, состоящие из приблизительно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты в место синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодонам мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствующее образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК [30].

Рибосомальные РНК (рРНК) — каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырёх типов рРНК синтезируются в ядрышке. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальными белками и формируют нуклеопротеин, называемый рибосомой[29]. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80 % РНК, обнаруживаемой в цитоплазме эукариотической клетки [33].

Необычный тип РНК, который действует в качестве тРНК и мРНК (тмРНК) обнаружен во многих бактериях и пластидах. При остановке рибосомы на дефектных мРНК без стоп-кодонов тмРНК присоединяет небольшой пептид, направляющий белок на деградацию [34].

Вопрос №68.Роль РНК в реализации наследственной информации. Синтез белка.

Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислот, которая определяется нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего данный белок. Генетический код составляется из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами; каждый кодон отвечает за присоединение к белку одной аминокислоты: например, сочетание АУГ соответствует метионину. Поскольку ДНК состоит из четырёх типов нуклеотидов, то общее число возможных кодонов равно 64; а так как в белках используется 20 аминокислот, то многие аминокислоты определяются более, чем одним кодоном. Гены, кодирующие белки сначала транскрибируются в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) белками РНК-полимеразами.

У прокариот мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а у эукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Скорость синтеза белков выше у прокариот и может достигать 20 аминокислот в секунду[22].

Процесс синтеза белка на основе молекулы мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковых факторов инициации присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большая субъединица и начинается вторая стадия трансляции — элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК (рРНК), образующей пептидилтрансферазный центр рибосомы. Рибосомальная РНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК, позиционируя атомы азота и углерода в положении, благоприятном для прохождения реакции. Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют аминокислоты к их тРНК. Третья, и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминациигидролизуют последнюю тРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к C-концу.

Вопрос №69. Эксперементальные доказательства генетической роли нуклииновыхкислот (трансформация, траскрипция)

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 10⁶—10⁹.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина — не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса — около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2—4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую — на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление).

Транскри́пция — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Транскрипция катализируетсяферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5'- к 3'- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3'->5'[1]

Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации.

Момент перехода РНК-полимеразы от инициации транскрипции к элонгации точно не определен. Три основных биохимических события характеризуют этот переход в случае РНК-полимеразы кишечной палочки: отделение сигма-фактора, первая транслокация молекулы фермента вдоль матрицы и сильная стабилизация транскрипционного комплекса, который кроме РНК-полимеразы включает растущую цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же явления характерны и для РНК-полимераз эукариот. Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом, промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев — переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например, фосфорилирование CTD-домена у РНК-полимеразы II ). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта и диссоциации фермента от матрицы (терминация).

На стадии элонгации в ДНК расплетено примерно 18 пар нуклеотидов. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Трудно себе представить, как это может происходить в клетке, особенно при транскрипции хроматина. Поэтому не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождают топоизомеразы.

Элонгация осуществляется с помощью основных элонгирующих факторов , необходимых, чтобы процесс не останавливался преждевременно [2].

В последнее время появились данные, показывающие, что регуляторные факторы также могут регулировать элонгацию. РНК-полимераза в процессе элонгации делает паузы на определенных участках гена. Особенно четко это видно при низких концентрациях субстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, т.н. паузы, наблюдаются даже при оптимальных концентрациях субстратов. Продолжительность этих пауз может контролироваться факторами элонгации.

Вопрос 70. «Центральная догма»молекулярной биологии. Понятие об обратной транскрипции. Современные проблемы генной инжинерии.

Центральная догма молекулярной биологии — обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году[1] и приведено в соответствие с накопившимися к тому времени данными в 1970 году[2]. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК → ДНК. В природе встречаются также переходы РНК → РНК и РНК → ДНК (например у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле.

Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.[1]

Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.[2]

Однако в 1970 году Темин[3] и Балтимор[4] независимо друг от друга открыли фермент, названный обратной транскриптазой (ревертазой), и возможность обратной транскрипции была окончательно подтверждена. В 1975 году Темину и Балтимору была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.

Вопрос 71. Синтез белка в клетке. Генетический код. Функции и-,т-,р-РНК.

Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Клетка содержит тысячи белков, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Синтез белка требует больших затрат энергии. Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ.
Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклео-
тидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. Каждой аминокислоте белка вДНК соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов — триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков.
64 различные аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов — кодонов. Очень важное свойство генетического кода — специфичность, один триплет всегда обозначает только одну-единственную аминокислоту. Генетический код универсален.
Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в ядре. Сам синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде и-РНК. Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК. Т.о, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Это называется транскрипции.
Строение всех т-РНК сходно. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному на «верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой т-РНК.
В цитоплазмепроисходит последний этап синтеза белка — трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать
синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 1.15). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке. В этот момент ибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка,
а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую цепочку белка. Эта операция повторяется
столько раз, сколько аминокислот должен содержать «строящийся» белок. Когда в рибосоме оказывается один из трипле
тов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна и-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как
антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят
за очень короткие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около
двух минут.
Таким образом, трансляция— это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты. Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодированияаминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНКнуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза и-РНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на р-РНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам.

иРНК - информационная - несёт закокодированную информацию о ДНК в рибосомы. в трансляции несет инфо о последовательности аминокислот белка.
тРНК - транспортная - переносит аминокислоты в место синтеза белков
рРНК - рибосомная - производит синтез белка

72.Особенности образования иРНК в клетках эу- и прокариот.

Эукариоты и прокариоты.

Биологи делят клетки на два больших надцарства [6]: эукариоты и прокариоты.

К первому надцарству клеток относятся и наши клетки. К надцарству прокариотов отнесены простейшие. Вирусы, бактерии…

Вот примерно так: «Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариот, имеют относительно простое строение. В прокариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.

Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эукариотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хлоропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки.

По строению различные эукариотические клетки сходны. Но наряду со сходством между клетками организмов различных царств живой природы имеются заметные отличия. Они касаются как структурных, так и биохимических особенностей». [5]

«…высшие животные, растения и грибы состоят из клеток, в которых находится одно ядро. Оно имеет форму шара с диаметром от 3 до 10 мкм (рис. 1). [5].

Рис.1. Ядро клетки.

«…в ядре клеток заключены хромосомы, которые содержат ДНК - хранилище наследственной информации. Этим определяется ведущая роль клеточного ядра в наследственности».[5]

С основным различием клеток разобрались. Идем дальше.

Основные данные.

Теперь посмотрим, что такое ДНК и РНК.

ДНК, это то, что составляет хромосомы. Это постоянная память клетки. То, что создает её наследственную основу. Хромосома – хранилище информации. ДНК – отдельный информационный массив из этого хранилища. Но, очень большой массив. Да и хорошо защищенный.

Чтобы воспользоваться информацией с ДНК необходимо сделать несколько действий: Спираль ДНК разворачивается и разрезается вдоль оси. Потом каждая одиночная последовательность ДНК копируется. Так получается РНК. По частям – генам. Получается мРНК-предшественник. И только потом из предшественника получается форма мРНК, пригодная для трансляции, т.е. синтеза белка.

Стандартная мРНК, это последняя стадия в длинной цепи доработки копии ДНК, подготовленная для начала считывания информации. Этот термин биологи не применяют. Но, мы его введем. Для эукариотов. К стандартной мРНК мы еще вернемся…

А пока основные данные о ДНК и РНК:

«Как известно, оснований, которыми различаются нуклеотиды, всего четыре. В РНК это аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U) (T-тимин в ДНК), а обычных аминокислот, входящих в белки, - 20. Следовательно, задача сводится к тому, чтобы четырьмя основаниями записать двадцать аминокислот. И отсюда следует, что код должен быть не менее чем триплетным, поскольку по одному основанию и даже по два (4 x 4 = 16) недостаточно, а по три даже много (4 x4 x 4 = 64). Сколько же кодонов из 64 имеют смысл, а какие бессмысленны? Соответствует ли каждой аминокислоте один или несколько кодонов? Ответы на эти вопросы были получены к 1965 году, когда генетический код был полностью расшифрован». [2]

«…код триплетен - каждая кодирующая единица-кодон состоит из трех нуклеотидов. В каждом гене триплеты считываются с фиксированной точки, в одном направлении и без запятых, то есть кодоны ничем не отделены друг от друга». [2]

«Сначала информация, записанная в виде чередования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух комплементарных цепей в ДНК гена, переписывается на одноцепочечную молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты - иРНК (она же мРНК от англ. messenger - переносчик). Это процесс транскрипции. На следующем этапе по матрице иРНК строится последовательность аминокислотных остатков полипептида. Тем самым создается первичная структура будущей молекулы белка. Это процесс трансляции». [2]

«Синтез белка или трансляция - это центральное событие в жизни клетки (рис. 2). Само представление о дискретных единицах генетической информации существует благодаря трансляции нуклеотидных последовательностей мРНК, ограниченных кодонами: инициатором и терминатором. Считывание таких последовательностей приводит к появлению в клетке дискретных молекул белка. Этот процесс обставлен в клетке весьма сложно (см., например, [6]). В трансляции каждого гена участвуют несколько сот разных молекул белков и нуклеиновых кислот». [2]

Таблицы соответствия кодонов и аминокислот можно посмотреть в [1,2].

Выяснили мы пока только то, что генетики и биологи рассматривают ДНК с позиций копирования (транскрипции) с получением копии – РНК и процесса получения сборки белка (трансляции). Ну, хоть с терминологией начали разбираться…

Основания и правила…

Теперь посмотрим, что послужило основанием для формирования постулатов считывания ДНК, принятых в генетике:

«В 1961 году Ф. Крик и С. Бреннер экспериментально показали, что делеция (вырезание) одного нуклеотида, дающая мутантный фенотип, может быть скомпенсирована вставкой нуклеотида вблизи делеции. Этот результат можно было объяснить предположив, что при делеции нуклеотида происходит сдвиг рамки считывания за местом делеции, и это приводит к полному изменению смысла всей последующей информации; при вставке одного нуклеотида вблизи места делеции происходит восстановление первоначальной рамки считывания и первоначального смысла закодированной информации. Таким образом, описанные эксперименты доказали, что генетический код не содержит запятых. В опытах с делециями и вставками Крик, Барнет, Бреннер и Уотс-Тобин (1961) также подтвердили, что код является триплетным или кратен трем, поскольку три делеции или три вставки нуклеотидов давали нормальный фенотип.
Опыты Г. Виттманна по замене единичных оснований в РНК вируса табачной мозаики показали, что такие замены могут приводить к замене только одной аминокислоты в белке. Это однозначно свидетельствовало в пользу того, что генетический код не перекрывается. Другими словами, каждое основание РНК входит в состав лишь одного триплета (кодона)». [1].

То есть, если вырезать один нуклеотид … и тут же рядом вставить, то … ничего не изменится. Это подтверждает отсутствие запятых…, а так же и триплетность кода.

А вот опыты Г. Виттманна - это серьезнее. Если учесть то, что сказано далее о нечувствительности трансляции к третьему элементу кода триплета, то… этот постулат не совсем верен. Неперекрываемость генетического кода не подтверждается. Коды могут перекрываться, но мы это далеко не всегда видим.

Таким образом, подтвержденными можно считать только триплетность и непрерывность кода ДНК и мРНК.

Вот теперь можно считывать информацию с ДНК и мРНК. Здесь правила примерно одинаковы. При этом:

«…первый же встреченный на иРНК кодон AUG (Met) задает фазу последующего считывания троек, то есть служит той самой фиксированной точкой, с которой начинается считывание. Любой последующий AUG просто кодирует Met. В конце гена обязательно стоит UAA, или UAG, или UGA, а то и два нонсенса подряд». [2]

Видимо, это обычный порядок считывания. Начало и конец считывания установлен. Оказывается, мы давно знаем это.

Стандартная мРНК.

Как мы уже говорили, процесс получения стандартной мРНК достаточно длинный. Вот как это происходит:

«Эукариотические мРНК … Их транскрипция и трансляция пространственно разобщены. Транскрипция протекает в ядре, а трансляция - в цитоплазме (рис. 2, б ). Эукариотические мРНК синтезируются в виде предшественников и проходят в своем биогенезе стадию довольно сложного созревания, или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) кэпирование 5'-конца, заключающееся в присоединении к этому концу мРНК так называемой шапочки (кэп-структуры), 2) полиаденилирование 3'-конца и, наконец, 3) сплайсинг - вырезание протяженных внутренних участков мРНК, так называемых интронов, и ковалентное воссоединение оставшихся фрагментов (экзонов) через обычную фосфодиэфирную связь…». [1].

Рис. 2. Транскрипция и трансляция мРНК прокариот (а); транскрипция, процессинг и трансляция мРНК эукариот (б).

Процессинг имеет целью сформировать различные области мРНК в нужном для трансляции порядке.

«Те части молекулы мРНК, в которых закодированы белки, называются транслируемыми областями. Однако помимо транслируемых областей в мРНК имеются достаточно протяженные последовательности, не кодирующие белок. Общая длина этих нетранслируемых областей порой может достигать или даже превышать длину транслируемых областей. [1]

Перестановки и удаления фрагментов мРНК выполняются на этапе сплайсинга:

«Сплайсинг (от англ. splice — сращивать или склеивать концы чего-либо) — процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании информационной РНК (мРНК) у эукариот, при этом путём биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки — экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки. Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не имеют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представителей эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК)[1] и других некодирующих РНК». [8]

Нетранслируемые области внутри мРНК, как мы поняли, называются интронами. Попробуем выяснить, что из себя представляют интроны, которые удалятся при сплайсинге стандартной мРНК:

«Существуют две альтернативные теории, объясняющие происхождение и эволюцию сплайсосомных интронов: так называемые теории ранних интронов (РИ) и поздних интронов (ПИ). Теория РИ утверждает, что многочисленные интроны присутствовали в общих предках эу- и прокариот и, соответственно, интроны являются очень старыми структурами. Согласно этой модели, интроны были потеряны из генома прокариот. Также она предполагает, что ранние интроны способствовали рекомбинацииэкзонов, представляющих доменыбелков. ПИ утверждает, что интроны появились в генах относительно недавно и были инсертированы (вставлены) в геном после разделения организмов на про- и эукариоты. Эта модель основывается на наблюдении, что сплайсосомные интроны есть только у эукариот». [7]

«Почти все эукариотические ядерные интроны начинаются с GU и оканчиваются AG (правило AG-GU)». [7]

Рис.3.Схема нуклеотидной последовательности пре-мРНК гена CDK4 человека. Большую часть последовательности занимают интроны (показаны серым цветом)

Для прокариотов значимость интронов установлена более точно:

«В прокариотических полицистронных мРНК имеются также внутренние межцистронные нетранслируемые области, располагающиеся между транслируемыми областями. Наряду с информацией о последовательности аминокислот в белке молекулы мРНК содержат информацию, определяющую их поведение в клетке (активность и время жизни, внутриклеточное распределение). Эта информация находится в основном в нетранслируемых областях мРНК». [1].

Вот так. Что такое интроны – узнали мало, но выяснилось много нового…

Если рассматривать мРНК-предшественник, как общую информацию о том, или ином белке, то экзон надо рассматривать, как исполнительную программу производства белка на рибосоме, а интрон – дополнительная информация об этом. Например, что с чем сшивать и в каком порядке, как настроить рибосому на этот процесс, перечень дополнительных команд, и т.д.

Интроны, как раз и есть кодированная запись команд и синхронизации всего производства белка - главное в этом процессе. Очень возможно, что интроны обрабатываются и частично вставляются в области 5' и 3', как дополнительная информация для считывающего устройства рибосомы.

В сформированной для трансляции мРНК:

Нетранслируемые области находятся на обоих концах молекул мРНК и соответственно называются 5'- и 3'-НТО». [1]

Полиаденилирование 3'-конца закодировано в самой мРНК.Потому, что: «Около половины мРНК эукариот полиаденилируются на 3'-конце во время процессинга в клеточном ядре. Сигналом ядерного полиаденилирования 3'-конца служит последовательность AAUAAA, расположенная за 10-20 нуклеотидов от этого конца». [1].

«Такой последовательностью у амфибий является (U)6AUAAAG. Поли(А)-хвост на мРНК узнается особым поли(А)-связывающим белком, который участвует в инициации трансляции мРНК по кэп-зависимому механизму». [1].

И получилась мРНК, пригодная для сборки белка. Наша - такая же, как на рис 2.(б).

Теперь посмотрим на рис.4. Это и есть стандартная форма мРНК.

Ничего не напоминает? А ведь весьма похоже на строку из памяти компьютера. Составляющие почти те же…

Только чуть сложнее. Разрешающий код, потом код начала строки и программа действий, «старт-код», собственно информационная часть, «стоп-код», проверочные и контрольные суммы, дополнительная информация о порядке выполнения действий, и, наконец, код окончания строки.

Рис. 4. Схема расположения функциональных участков на молекуле мРНК. В подтверждение существования стандартной мРНК:

«Зрелые эукариотические мРНК, как правило, моноцистронны и кодируют только одну полипептидную цепь». [1]

Таким образом, можно сказать, что стандартизация мРНК развивалась вместе с развитием клетки.

Вариации на тему.

Теперь заметим, как объясняют специалисты множественность триплетных кодов для одной и той же аминокислоты:

«…для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть любым. Следовательно, мутации - замены оснований в третьем положении многих кодонов просто не будут проявляться. Кроме того, ограниченные возможности проявления имеют и мутации, приводящие к замене полярного остатка на полярный или неполярного на неполярный, поскольку они часто близки по своим физико-химическим свойствам. Если такие мутации и проявляются, то проявляются нечетко, то есть мутантный белок не полностью утрачивает свою активность, а лишь частично. Так могли возникать в эволюции так называемые полипептиды-синонимы, имеющие одинаковую укладку и ферментативную активность, но разную первичную структуру. Получается, что генетический код обладает высоким уровнем помехоустойчивости в том, что касается миссенс-мутаций, или мутаций, изменяющих смысл кодонов. Чаще всего проявляются те миссенс-мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные и наоборот». [2]
Надо понимать, что если по ошибке при трансляции в белок попадет не та аминокислота, то … ничего страшного не произойдет. Видимо, это почти нормальное явление.

А дальше и совсем замечательно: «Инициирующий кодон узнается только в определенном контексте. Если мы зададим вопрос, можно л<