Функциональная структура трнк. Вторичная структура рнк

Молекула РНК также полимер, мономерами которого является рибонуклеотиды, РНК представляет собой одноцепочную молекулу. Она построена таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК похожи на нуклеотиды ДНК, хотя и не тождественны им. Их тоже четыре, и они состоят из осатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три азотистых основания совершенно такие же, как в ДНК: А , Г и Ц . Однако вместо Т у ДНК в РНК присутствует близкое по строение пиримидиновое основание – урацил (У ). основное различие между ДНК и РНК – это характер углевода: в нуклотидах ДНК моносахарид – дезоксирибоза, а в РНК – рибоза. Связь между нуклеотидами осуществляется, как и в ДНК, через сахар и остаток фосфорной кислоты. В отличие от ДНК, содержание которой в клетках определенных организмов постоянно, содержание РНК в них колеблется. Оно заметно выше там, где происходит интенсивный синтез.

В отношении выполняемых функций различают несколько видов РНК.

Транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНк самые короткие: они состоят всего из 80-100 нуклеотидов. Молекулярная масса таких частиц равна 25-30 тыс. Транспортные РНК в основном содержатся в цитоплазме клетки. Функция их состоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетк на долю тРНК приходится около 10%.

Рибосомная РНК (рРНК). Это крупные молекулы: в их состав входит 3-5 тыс. нуклеотидов, соотвественно их молекулярная масса достигает 1-1,5 млн. Рибосомные РНК составляют существенную часть рибосомы. Из общего содержания РНК в клетке на долю рРНК приходится около 90%.

Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК), содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю иРНК приходится примерно 0,5-1% от общего содержания РНК клетки. Размер иРНК колеблется в широких пределах – от 100 до 10000 нуклеотидов.

Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служитсвоего рода матрицей.

ДНК – носитель наследсвенной нформации.

Каждый белок представлен одной или несколькими полипиптидными цепями. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипиптидной цепи, называют геном . Совокупность молекул ДНК клетки выполняет функцию носителя генетической информации. Генетическая информация передается как от материнской клетки дочерним клеткам, так и от родителей детям. Ген является единицей генетической , или наследственной, информации.

ДНК – носитель генетической информаци в клетке – непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках эукариот молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной оболочкой от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). По принципу комплементарности она синтезируется на ДНК при участие фермента, называемого РНК-полимеразой .

Информационная РНК – это однонитевая молекула, и транскрипция идет с одной цепи двунитевой молекулы ДНК. Она является копией не всей молекулы ДНК, а только части ее – одного гена у эукариот или группы рядом расположенных генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции, у прокариот. Такую группу генов называют опероном . В начале каждого оперона находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы, называемая промотором .это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, РНК-полиммераза способна начать интез РНК. Доядя до конца оперона, фермент встречает сигнал (в виде определенной последоватльности нуклеотидов), означающий конец считывания. Готовая иРНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белков.

В процессе транскрипции можно выделить четыре стадии: 1) связывание РНК -полимеразы с промотором; 2) инициация – начало синтеза. Оназаключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы РНК; 3) элонгация – рост цепи РНК; т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные им нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. Скорость элонгации 50 нуклеотидов в секунду; 4) терминация – завершение синтеза РНК.

Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации – перевод ее с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Синтез полипептидных цепей по матрице иРНК, происходящий в рибосомах, называют трансляцией (лат. translation – перевод).

Аминокислоты, из котрых синтезируютсябелки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (тРНК). В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине «листа» каждой тРНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в иРНК. Ее называют антикодоном. Специальный фермент – кодаза – опознает тРНК и присоединяет к «черешку листа» аминокислоту – только ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону. На образование ковалентной связи между тРНК и «своей» аминокислотой затрачивается энергия одной молекулы АТФ.

Для того чтобы аминокислота включилась в полипептидную цепь, она должна оторваться от тРНК. Это становится возможным, когда тРНК поступает на рибососму и антикодон узнает свой кодон в иРНК. В рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул тРНК. В один из этих участков, называемый акцепторным , поступает тРНК с аминокислотой и присоединяется к своему кодону (I). Эта аминокислота присоединяет к себе (акцептирует) растущую цепь белка (II)? Между ними образуется пептидная связь. тРНК, к которой теперь присоединяется вместе с кодоном иРНК в донорный участок рибосомы. В освободившийся акцепторный участок приходит новая тРНК, связанная с аминокислотой, которая шифруется очередным кодоном (III). Из донорного участка сюда вновь переносится оторвавшаяся полипептидная цепь и удлинняется еще на одно звено. Аминокислоты в растущей цепи соединены в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны в иРНК.

Когда на рибосоме оказывается один из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА ), являющиеся «знаками препинания» между генами, ни одна тРНК не может занять место в акцепторном участке. Дело в том, что не существует антикодонов, комплементарных последовательностям нуклеотидов «знаков препинания». Оторвавшейся цепи не к чему присоединиться в акцепторном участке, и она покидает рибосому. Синтез белка завершен.

У прокариот синтез белков начинается с того, что кодон АУГ , расположенный на первом месте в копии с каждого гена, занимае в рибосоме такую позицию, что с ним взаимодействует антикодон особой тРНК, оединенной с формилментионином . Эта измененная форма аминокислоты метионина сразу попадает в донорный участок и выполняет роль заглавной буквы во фразе – с нее в бактериальной клетке начинается синтез любой полипептидной цепи. Когда триплет АУГ стоит не на первом месте, а внутри копии с гена, он кодирует аминокислоту метионин. После завершения синтеза полипептидной цепи формилметионин отщепляется от нее и в готовом белке отсуствует.

Для увеличения производства белков иРНК часто проходит одновременно не по одной, а по нескольким рибосомам. Акую структуру, объединенную одной молекулой иРНК, называют полисомой . На каждой рибосоме вэтом похожем на нитку бус конвейере синтезируются одинаковые белки.

Аминокислоты бесперебойно поставляются к рибосомам с помощью тРНК. Отдав аминокислоту, тРНК покидает рибосому и с помощью кодазы соединяется. Высокая слаженность всех «служб комбината» по производсву белов позволяет в течении нескольких секунд синтезировать полипептидные цепи, состоящие из сотен аминокислот.

Свойства генетического кода. Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку

ДНК → иРНК → белок

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах.

Каким же образом происходит перевод информации с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот? Такой перевод осуществляется с помощью генетического кода. Код, или шифр , - это система символов для перевода одной формы информации в другую. Генетический код –это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в иРНК.

Какими же свойствами обладает генетический код?

Код триплетен . В состав РНК входят четыре нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двух буквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот. Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов, называемой триплетом или кодоном.

Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном. Исключения: метеонин и триптофан, каждая из которых кодируется одним триплетом.

Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

Между генами имеется «знаки препинания». В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являетсяоперон и комплементарная ему иРНК. Каждый ген в опероне прокариот или отдельный ген эукариот кодирует одну полипептидную цепочку – фразу. Так как в ряде случаев по матрице иРНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом годе имеются три специальных триплета – УАА, УАГ, УГА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.

Внутри гена нет «знаков препинания».

Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушек и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Принципы репликации ДНК. Преемственность генетического материала в поколениях клеток и организмов обеспечивается процессом репликации – удвоения молекул ДНК. Этот сложный процесс осуществляется комплексом нескольких ферментов и не обладающих каталитической активностью белов, необходимых для придания полинуклеотидным цепям нужной конформации. В результате репликации образуются две идентичные двойные спирали ДНК. Эти так называемые дочерние молекулы ничем не отличаются друг от друга и от исходной материнской молекулы ДНК. Репликация происходит в клетке перед делением, поэтому каждая дочерняя клетка получает точно такие же молекулы ДНК, какие имела материнская клетка. Процесс репликации основан на ряде принципов:

Только в этом случае ДНК-полимеразы способна двигаться по материнским нитям и использовать их в качестве матриц для безошибочного синтеза дочерних цепей. Но полное раскручивание спиралей, состоящих из многих миллионов пар нуклеотидов, сопряжено со столь значительным числом вращений и такими энергетическими затратами, которые невозможны в условиях клетки. Поэтому репликация у эукариот начинается одновременно в некоторых местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называют репликоном . Он является единицей репликации.

В каждой молекуле ДНК эукариотической клетки имеется много репликонов. В каждом репликоне можно видеть репликативную вилку – ту часть молекулы ДНК, которая под действием специальных ферментов уже расплелась. Каждая нить в вилке служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы, при этом расплетаются новые участки ДНК. Так как ДНК-полимеразы могут двигаться лишь в одном направлении вдоль матричных нитей, а нити ориентированы антипараллельно, то в каждой вилке одновременно ведут синтез два разных ферментативных комплекса. Причем в каждой вилке одна дочерняя (лидирующая) цепь растет непрерывно, а другая (отстающая) синтезируется отдельными фрагментами длинной в несколько нуклеотидов. Такие ферменты, названые в честь открывшего их японского ученого фрагментами Оказаки , сшиваются ДНК-лигазой, образуя непрерывную цепь. Механизм образования дочерних цепей ДНК фрагментами называют прерывистыми.

Потребность в затравке ДНК-полимераза не способна начинать синтез лидирующей цепи, ни синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи. Она может лишь наращивать уже имеющуюся полинуклеотидную нить, последовательно присоединяя дезоксирибонуклеотиды к ее 3’-ОН концу. Откуда же берется начальный 5’-концевой участок растущей цепи ДНК? Его синтезирует на матрице ДНК особая РНК-полимераза, называемая праймазой (англ. Primer – затравка). Размер рибонуклеотидной затравки невелик (менее 20 нуклеотидов) в сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-поимеразой. Выполнившая сво. Функци. РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при эом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3’-ОН конец соседнего фрагмента Оказаки.

Проблема недорепликации концов линейных молекул ДНК. Удаление крайних РНК-праймеров, комплементрных 3’-концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче 10-20 нуклеотидов. В этом и заключается проблема недорепликации концов линейных молекул.

Проблема недорепликации 3’-концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента – теломеразы .

Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3’-концылинейных молекул ДНК хромосом короткими повторяющимися последовательностями. Они, располагаясь друг за другом, образуют регулярную концевую структуру длинной до 10 тыс. нуклеотидов. Помимо белковой части, теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами.

Схема удлинения концов молекул ДНК. Сначала происходит комплементарное связывание выступающего конца ДНК с матричным участком теломеразной РНК, затем теломераза наращивает ДНК, используя в качестве затравки ее 3’-ОН конец, а в качестве матрицы – РНК, входящую в состав фермента. Эта стадия называется элонгацией. После этого происходит транслокация, т.е. перемещение ДНК, удлиненной на один повтор, относительно фермента. Следом идет элонгация и очередная транслокация.

В результате образуются специализированные концевые структуры хромосом. Они состоят из многократно повторенных коротких последовательностей ДНК и специфических белков.

Взаимодействие и строение ИРНК, ТРНК, РРНК — трех основных нуклеиновых кислот, рассматривает такая наука, как цитология. Она поможет выяснить, какова роль транспортной (ТРНК) в клетках. Эта очень маленькая, но в то же время неоспоримо важная молекула принимает участие в процессе комбинирования белков, из которых состоит организм.

Каково строение ТРНК? Очень интересно рассмотреть «изнутри» это вещество, узнать его биохимию и биологическую роль. А также, как строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны?

Что такое ТРНК, как она устроена?

Транспортная рибонуклеиновая кислота участвует в построении новых белков. Почти 10 % всех рибонуклеиновых кислот — транспортные. Чтобы было понятно, из каких химических элементов образована молекула, расскажем строение вторичной структуры ТРНК. Вторичная структура рассматривает все основные химические связи между элементами.

Состоящая из полинуклеотидной цепи. Азотистые основания в ней связаны водородными связями. Как и в ДНК, РНК имеет 4 азотистые основания: аденин, цитозин, гуанин, и урацил. В этих соединениях аденин всегда связан с урацилом, а гуанин, как обычно, с цитозином.

Почему нуклеотид имеет приставку рибо-? Просто все линейные полимеры, имеющие рибозу вместо пентозы в основании нуклеотида, называются рибонуклеиновыми. А транспортная РНК - это один из 3 видов именно такого, рибонуклеинового полимера.

Строение ТРНК: биохимия

Заглянем в самые глубокие слои строения молекулы. Эти нуклеотиды имеют 3 составляющие:

1. Сахароза, во всех видах РНК участвует рибоза.
2. Фосфорная кислота.
3. Азотистые и пиримидины.

Азотистые основания соединяются между собой крепкими связями. Принято разделять основания на пуриновые и пиримидиновые.

Пурины - это аденин и гуанин. Аденину соответствует адениловый нуклеотид из 2 взаимосвязанных колец. А гуанину — соответствует такой же «однокольцовый» гуаниновый нуклеотид.

Пирамидины — это цитозин и урацил. Пиримидины имеют структуру из одного кольца. Тимина в РНК нет, так как его заменяет такой элемент, как урацил. Это важно понять, прежде чем обращать внимание на другие особенности строения ТРНК.

Виды РНК

Как видим, строение ТРНК кратко не описать. Нужно углубиться в биохимию, чтобы понять назначение молекулы и ее истинную структуру. Какие еще известны рибосомные нуклеотиды? Различают также матричную или информационную и рибосомную нуклеиновые кислоты. Сокращенно ИРНК и РРНК. Все 3 молекулы тесно сотрудничают в клетке друг с другом, чтобы организм получал правильно структурированные глобулы белка.

Невозможно представить работу одного полимера без помощи 2 других. Особенности строения ТРНК становятся более понятны, когда рассматриваются во взаимосвязи с функциями, которые напрямую связаны с работой рибосом.

Строение ИРНК, ТРНК, РРНК во многом похожи. Все имеют в основании рибозу. Однако структура и функции у них разные.

Открытие нуклеиновых кислот

Швейцарцем Иоганном Мишером были найдены в ядре клетки в 1868 году макромолекулы, названные нуклеинами впоследствии. Название «нуклеины» происходит от слова (nucleus) - ядро. Хотя немного позже было установлено, что у одноклеточных существ, не имеющих ядра, эти вещества также присутствуют. В середине XX века получена Нобелевская премия за открытие синтеза нуклеиновых кислот.

в синтезе белка

Само название — транспортная РНК говорит об основной функции молекулы. Эта нуклеиновая кислота «привозит» с собой необходимую аминокислоту, требуемую рибосомной РНК для создания конкретного белка.

У молекулы ТРНК функций немного. Первая — распознавание кодона ИРНК, вторая функция — это доставка строительных «кирпичиков» — аминокислот для синтеза белка. Еще некоторые специалисты выделяют акцепторную функцию. То есть присоединение по ковалентному принципу аминокислот. Помогает «прикрепить» эту аминокислоту такой фермент, как аминоцил-ТРНК-синтатаз.

Как строение ТРНК связано с ее функциями? Эта особенная рибонуклеиновая кислота устроена так, что на одной ее стороне имеются азотистые основания, которые всегда соединяются попарно. Это известные нам элементы — А, У, Ц, Г. Ровно 3 «буквы» или азотистые основания, составляют антикодон — обратный набор элементов, который взаимодействует с кодоном по принципу комплементарности.

Эта важная особенность строения ТРНК гарантирует, что ошибок при декодировании матричной нуклеиновой кислоты не будет. Ведь от точной последовательности аминокислот зависит правильно ли синтезируется нужный организму в настоящее время белок.

Особенности строения

Каковы особенности строения ТРНК и ее биологическая роль? Это очень древняя структура. Ее размеры где-то 73 - 93 нуклеотида. Молекулярная масса вещества - 25 000-30 000.

Строение вторичной структуры ТРНК можно разобрать, изучив 5 основных элементов молекулы. Итак, состоит эта нуклеиновая кислота из таких элементов:

• петля для контакта с ферментом;
• петля для контакта с рибосомой;
• антикодоновая петля;
• акцепторный стебель;
• сам антикодон.

И также выделяют малую вариабельную петлю во вторичной структуре. Одно плечо у всех видов ТРНК одинаково — стебель из двух остатков цитозина и одного — аденозина. Именно в этом месте происходит связь с 1 из 20 имеющихся в наличии аминокислот. Для каждой аминокислоты предназначен отдельный фермент — свой аминоацил-тРНК.

Вся информация, которая шифрует строение всех содержится в самой ДНК. Строение ТРНК у всех живых существ на планете практически идентичное. Она будет выглядеть, как лист, если рассматривать ее в 2-D формате.

Однако если взглянуть объемно, то молекула напоминает L-образную геометрическую структуру. Это считается третичная структура ТРНК. Но для удобства изучения ее принято визуально «раскручивать». Третичная структура образуется вследствие взаимодействия элементов вторичной структуры, тех частей, которые взаимокомплиментарны.

Плечи ТРНК или кольца играют важную роль. Одно плечо, например, необходимо для химической связи с определенным ферментом.

Характерной особенностью нуклеотида является наличие огромного числа нуклеозидов. Этих минорных нуклеозидов более 60 видов.

Строение ТРНК и кодирование аминокислот

Мы знаем, что антикодон ТРНК составляет 3 молекулы. Каждому антикодону соответствует определенная, «личная» аминокислота. Эта аминокислота соединена с молекулой ТРНК с помощью специального фермента. Как только 2 аминокислоты объединяются, связи с ТРНК распадаются. Все химические соединения и ферменты нужны до необходимого времени. Именно так взаимосвязаны строение и функции ТРНК.

Всего в клетке присутствует 61 тип таких молекул. Математических вариаций может быть 64. Однако 3 вида ТРНК отсутствуют по причине того, что именно такое количество стопкодонов в ИРНК не имеет антикодонов.

Взаимодействие ИРНК и ТРНК

Рассмотрим взаимодействие вещества с ИРНК и РРНК, а также особенности строения ТРНК. Структура и назначение макромолекулы взаимосвязаны.

Структура ИРНК копирует информацию с отдельного участка ДНК. Сама ДНК слишком крупное соединение молекул, и она никогда не выходит из ядра. Поэтому нужна посредническая РНК — информационная.

На основе последовательности молекул, которые скопировала ИРНК, рибосома строит белок. Рибосома — это отдельная полинуклеотидная структура, строение которой нужно разъяснить.

Рибосомная ТРНК: взаимодействие

Рибосомная РНК это огромная органелла. Ее молекулярный вес 1 000 000 - 1 500 000. Почти 80 % всего количества РНК — именно рибосомные нуклеотиды.

Она как бы захватывает цепь ИРНК и ждет антикодонов, которые принесут с собой молекулы ТРНК. Состоит рибосомная РНК из 2 субъединиц: малой и большой.

Рибосому называют «фабрикой», поскольку в этой органелле и происходит весь синтез нужных для повседневной жизни веществ. Это также очень древняя структура клетки.

Как происходит синтез белка в рибосоме?

Строение ТРНК и ее роль в синтезе белка взаимосвязаны. Расположенный антикодон на одной из сторон рибонуклеиновой кислоты подходит по своей форме для основной функции — доставки аминокислот к рибосоме, где происходит поэтапное выстраивание белка. По сути, ТРНК выполняет роль посредника. Ее задача лишь принести необходимую аминокислоту.

Когда информация считывается с одной части ИРНК, рибосома движется дальше по цепи. Матрица нужна только для передачи кодированной информации о конфигурации и функции отдельно взятого белка. Далее подходит к рибосоме другая ТРНК со своими азотистыми основаниями. Она также декодирует следующую часть ИРНК.

Декодирование происходит следующим образом. Азотистые основания объединяются по принципу комплементарности точно так же, как в самой ДНК. Соответственно, ТРНК видит, куда ему нужно «причалить» и в какой «ангар» отправить аминокислоту.

Затем в рибосоме выбранные таким способом аминокислоты химически связываются, шаг за шагом формируется новая линейная макромолекула, которая после окончания синтеза закручивается в глобулу (шар). Использованные ТРНК и ИРНК, выполнив свою функцию, удаляются от «фабрики» белка.

Когда первая часть кодона соединяется с антикодоном, определяется рамка считывания. Впоследствии, если происходит по каким-то причинам сдвиг рамки, то какой-то признак белка будет бракован. Рибосома же не может вмешаться в этот процесс и решить проблему. Только после завершения процесса 2 субъединицы РРНК снова объединяются. В среднем на каждые 10 4 аминокислот приходится по 1 ошибке. На 25 уже собранных белков обязательно встречается хоть 1 ошибка репликации.

ТРНК как реликтовые молекулы

Так как ТРНК, возможно, существовали во времена зарождения жизни на земле, ее называют реликтовой молекулой. Считается, что РНК первейшая структура, которая существовала до ДНК, а затем эволюционировала. Гипотеза мира РНК — сформулирована в 1986 году лауреатом Уолтером Гильбертом. Однако доказать это пока сложно. В защиту теории выступают очевидные факты — молекулы ТРНК в состоянии хранить блоки информации и как-то реализовывать эти сведения, то есть выполнять работу.

Но противники теории утверждают - небольшой период жизни вещества не может гарантировать, что ТРНК хороший носитель любой биологической информации. Эти нуклеотиды быстро распадаются. Срок жизни ТРНК в клетках человека колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Некоторые виды могут продержаться до суток. А если говорить о таких же нуклеотидах в бактериях, то тут сроки намного меньше — до нескольких часов. К тому же строение и функции ТРНК слишком сложны, чтобы молекула могла стать первичным элементом биосферы Земли.

Данная статья является второй в серии автопубликаций, которую необходимо читать после ознакомления с первой статьёй Свойства генетического кода - след его возникновения . Крайне желательным для людей, плохо знакомым с основами молекулярной биологии, знакомство со статьёй О.О. Фаворовой " ". Важно понимать, для того, чтобы понять КАК возник генетический код , необходимо понять, КАК он функционирует в современных организмах. А для этого необходимо вникнуть в молекулярные механизмы кодируемого синтеза белка. Для понимания данной статьи важно понимать, как устроена молекула РНК, чем она отличается от молекулы ДНК.

Разобраться в теме о происхождении жизни вообще, и возникновении генетического кода, в частности, просто невозможно без понимания основных молекулярных механизмов в живых организмах, в первую очередь двух аспектов - воспроизведения наследственных молекул (нуклеиновых кислот) и синтеза белка. Поэтому данная статья посвящена в первую очередь изложению того минимума знания, с помощью которого можно понять богатый и довольно интересный материал, связанный с происхождением генетического кода (ГК).

Знакомство с молекулярными механизмами синтеза белка лучше всего начинать с изучения структуры одного из ключевых компонентов и одной из самых древних структур в живых организмах - молекулы транспортной РНК (или тРНК ). Молекула тРНК имеет необычайно консервативную структуру, которая сходна у всех живых организмах. Эта структура меняется в ходе эволюции настолько медленно, что позволяет нам извлечь немало информации о том, как могли выглядеть древнейшие белок-синтезирующие системы в период их начального формирования. Поэтому говорят, что молекула тРНК является молекулярным реликтом.

Молекулярный реликт , или молекулярное ископаемое - это абстракция, обозначающая древние механизмы и молекулярные и надмолекулярные структуры, встречающиеся в современных организмах, что позволяет нам извлекать информацию об устройстве древнейших живых систем. К молекулярным реликтам относятся молекулы рибосомной и транспортных РНК, аминоацил-тРНК -синтетаз, ДНК- и РНК-полимераз и сам генетический код , как способ кодирования, а также ряд других молекулярных структур и механизмов. Их анализ и является ключевым источником информации о том, как могла возникнуть жизнь, и генетический код , в частности. Рассмотрим подробнее структуру тРНК и те её участки, которые изменяются в ходе эволюции настолько медленно, что ещё содержат немало информации относительно древних тРНК , существовавших более 3,5 млрд. лет назад.

Молекула тРНК относительно небольшая, её длина варьирует от 74 до 95 нукелотидных остатков, наиболее часто - 76 нуклеотидов (см. рис. 1). В последовательности тРНК выделяют так называемые консервативные нуклеотидные остатки - это нуклеотидные остатки расположенные в строго определённых последовательностях почти у всех молекул тРНК . Кроме того выделяются полуконсервативные нуклеотидные остатки - это остатки, представленные только пуриновыми или пиримидиновыми основаниямив строго определённых последовательностях тРНК . Кроме того, различные участки тРНК изменяются с существенно различной скоростью.

До 25% всех нуклеотидных остатков представлены модифицированными нуклеозидами, часто называемых минорными . Минорных остатков описано уже больше 60. Они образуются врезультате модификации обычных нуклеозидных остатков с помощью специальных ферментов.

Среди модифицированных остатков часто встречаются псевдоуридин (5-рибофуранозилурацил, Ψ), 5,6- дигидроуридин (D ), 4-тиоуридил и инозин. Структура некоторых модифицированный оснований и частично их роль изложены в статье

Наряду с первичной структурой (это просто последовательность нуклеотидов), молекула тРНК обладает вторичной и третичной структурой.

Вторичная структура обусловлена образованием водородных связей между нуклеотидами. Ещё в школе учат про водородные связи при комплементарным спариванием между нуклеотидами (A-U и G-C такой вид спаривания нуклеотидов называют каноническим), но в молекулах тРНК также образуется немалое количество неканонических связей, в частности, между G и U, которые будет несколько слабее и энергетически менее выгодная ).

Рис. 1. Обобщённая вторичная структура тРНК (слева) и общепринятая нумерация нуклеотидов в тРНК (справа). Так она выглядит почти у всех живых организмов. На правом рисунке консервативные нуклеотиды выделены жирными кружочками.

Обозначения: N - любой нуклеотид, Т - тимин, D - дигидроуридин, Ψ - псевдоуридин, R - пуриновый нуклеотид.

В результате образуется так называемая структура клеверного листа. В структуре клеверного листа выделяют: акцепторный стебель и три ветви, или домена (arms ): антикокодоновую (состоит из антикодонового двуцепочечного стебля (stem ) и антикодоновой петли (loop ), дигидроуридиновую, или D -ветвь, или D -домен, (также из дигидроуридиновой петли и стебля) и TΨC -ветви, или просто Т-ветви, или Т-домена, (Т-петли и Т-стебля). В дополнение к трём петлям клеверного листа выделяется также так называемая дополнительная, или вариабельная, петля. Длина вариабельной петли варьирует от4 до 24 нуклеотидов.

Почему вторичная структура тРНК имеет Фому клеверного листа? Ответ на этот вопрос дал М.Эйген [Эйген М, Винклер Р. 1979] . Дело в том, что при длине РНКовой цепи 80 нуклеотидов со случайной последовательностью вторичная структура с 3-4 лепестками является наиболее вероятной. Хотя шпилька, имеющая только одну петлю имеет максимальное число спаренныхоснований, эта стуктура в случайных последовательностях является маловероятной. Именно поэтому разумно считать, что тРНК -подобные структуры (то есть структуры с 3-4 петлями) были наиболее распространёнными молекулами на стадии РНКовой и РНК-белковой жизни. Дополнительные доводы в пользу этого утверждения будут приведены в следующих статьях.

Третичная стуктура тРНК .

Третичная структура тРНК соответстует реальной пространственной структуре. Она получила название L -формы, из-за сходства третичной структуры с формой латинской заглавной буквы « L ». Третичная структура образуется благодаря взаимодействию элементов вторичной структуры. Веё формировании принимают участие стэкинг-взаимодействия оснований. За счёт стэкинга оснований акцепторный и Т-стебель клеверного листа образуют одну непрерывную двойную спираль, формирующую одну из «палочек» L -формы. Антикодоновый и D -стебли образуют другую «палочку» этой буквы, D - и T -петли оказываются в такой структуре сближенными и скрепляются между собой путём образования дополнительных, часто необычных пар оснований, которые, как правило, образованы консервативными или полуконсервативными остатками. В свете такого участия консервативных и полуконсервативных оснований в образовании L -формы становится ясным их присутствие в T - и D -петлях. Формирование L-образной структуры и её взаимодействие с АРСаз ой схематически приведено на рис. 2.

Рис. 2. Схема образования пространственной L -образной стуктуры тРНК и взаимодействия её с АРСаз ой.

Стрелкой обозначено место присоединения аминокислоты при аминоацилировании тРНК синтетазой. Красным цветом выделен акцепторный домен тРНК , синим - антикодоновый домен. Овалами обозначены домены АРСаз ы: зелёный - каталитический домен, содержащий домен связывания и аминоацилирования акцепторной области тРНК , жёлтым и оранжевым - вариабельныйдомен АРСаз ы. В зависимости от размера этого домена, АРСаз а распознаёт вариабельным доменом антикодоновую область (домен обозначен жёлтым цветом), или не распознаёт (домен обозначен оранжевым цветом).

Основания антикодона обращены внутрь L -образной молекулы.

Транспортные РНК во всех живых организмах последовательно выполняют три фукнции, необходимые для осуществления синтеза белка:

1) акцепторную - с помощью белковых ферментов (аминоацил-тРНК -синтатаз) ковалентно присоединяет к аминоацильному остатку строго определённую аминокислоту (для каждой аминокислоты - строго своя одна или иногда несколько разных тРНК ); 2) транспортную - транспортирует аминокислоту к специфическому месту на рибосоме; 3) адапторную - в комплексе с рибосомой способен специфически узнавать триплет генетического кода на матричной РНК, после чего присоединённая к тРНК аминокислота включается в растущую полипептидную цепь на рибосоме.

Статьи, связанные с темой:

Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков

Транспортная РНК, тРНК -рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка АК к месту синтеза белка. Имеет типичную длину от 73 до 93 нуклеотидов и размеры около 5 нм. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК. тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «клеверного листа». АК ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий АК-те. тРНК синтезируются обычной РНК-полимеразой в случае прокариот и РНК-полимеразой III в случае эукариот. Транскрипты генов тРНК подвергаются многостадийному процессингу, который приводит к формированию типичной для тРНК пространственной структуры.

Процессинг тРНК включает 5 ключевых этапов:

удаление 5"-лидерной нуклеотидной последовательности;

удаление 3"-концевой последовательности;

добавление последовательности CCA на 3"-конец;

вырезание интронов (у эукариот и архей);

модификации отдельных нуклеотидов.

Транспорт тРНК осущ-ся по Ran-зависимому пути при участии транспортного фактора экспортина t, кот.распознаёт характерную вторичную и третич.стр-ру зрелой тРНК: короткие двуспиральные участки и правильно процессированные 5"- и 3"-концы. Такой механизм обеспечивает экспорт из ядра только зрелых тРНК.

62. Трансляция – узнавание кодона мРНК
Трансляция – это осуществляемый рибосомами синтез белка из аминокислот на матрице мРНК (или и РНК). Cоставляющие элементы процесса трансляции: аминокислоты, тРНК, рибосомы, мРНК, ферменты для аминоацилирования тРНК, белковые факторы трансляции (белковые факторы инициации, элонгации, терминации - специфические внерибосомные белки, необходимые для процессов трансляции), источники энергии АТФ и ГТФ, ионы магния (стабилизируют структуру рибосом). В синтезе белка участвует 20 аминокислот. Чтобы аминокислота «узнала» свое место в будущей полипепетидной цепи, она должна связаться с транспортной РНК (тРНК), выполняющей адапторную функцию. Затем тРНК, связавшаяся с аминокислотой «узнает» соответствующий кодон на мРНК. Узнавание кодона мРНК:

Взаимодействие кодон - антикодон основано на принципах комплементарности и антипараллельности:

3’----Ц - Г- А*------5’ Антикодон тРНК

5’-----Г- Ц- У*------3’ Кодон мРНК

Гипотеза качания (wobble) была предложена Ф. Криком:

3′- основание кодона мРНК имеет нестрогое спаривание с 5′- основанием антикодона тРНК: например, У (мРНК) может взаимодействовать с А и Г (тРНК)

Некоторые тРНК могут спариваться с более, чем одним кодоном.

63. Характеристика составляющих элементов процесса трансляции. Трансляция (translatio-перевод)- процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой.

Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки. Для осуществления этого процесса в клетках всех организмов имеются спец.органеллы-рибосомы - рибонуклеопротеидные комплексы, построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Функция рибосом заключается в узнавании трёхбуквенных (трехнуклеотидных) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующих антикодонов тРНК, несущих аминокислоты , и присоединении этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.

Для узнавания АК-т в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энерго-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон CCA, а к этой тРНК будет присоединяться только АК глицин).

Прокариотическая рибосома

5S и 23S рРНК 16S рРНК

34 белка 21 белок

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S, отчего получили название 70S-частиц. Они построены из двух неодинаковых субчастиц: 30S- и 50S-субъединиц. Каждая субъединица представляет комплекс рРНК и рибосомных белков.

30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка из более 20 видов (21) . 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S). В ее состав входят более 30 различных белков (34), также представленных, как правило, одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.

Эукариотическая рибосома

5S; 5,8S и 28S рРНК 18S рРНК

не менее 50 белков не менее 33 белков

Рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Основу структуры каждой субъединицы составляет сложн образом свернутая рРНК. К каркасу из рРНК прикрепл рибосомн белки.

Коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а коэффициент седиментации ее субчастиц составляет 40S и 60S.

Меньшая 40S-субчастица состоит из одной молекулы 18S-рРНК и 30-40 белковых молекул. Большая 60S-субчастица содержит три типа рРНК с коэффициентами седиментации 5S, 5,8S и 28S и 40-50 белков (например, рибосомы гепатоцитов крысы включают 49 белков).

Функциональные участки рибосом

Р – пептидильный участок для пептидил тРНК

А – аминоацильный участок для аминоацил тРНК

Е – участок для выхода тРНК из рибосомы

Рибосома содержит 2 функциональных участка для взаимодействия с тРНК: аминоацильный (акцепторный) и пептидильный (донорный). Аминоацил-тРНК попадает в акцепторный участок рибосомы и взаимодействует с образованием водородных связей между триплетами кодона и антикодона. После образования водородных связей система продвигается на 1 кодон и оказывается в донорном участке. Одновременно в освободившемся акцепторном участке оказывается новый кодон, и к нему присоединяется соответствующий аминоацил-т-РНК.

Рибосомы: строение, финкция

Рибосомы являются цитоплазматическими центрами биосинтеза белка. Они состоят из большой и малой субъединиц, различающихся коэффициентами седиментации (скоростью осаждения при центрифугировании), выражаемые в единицах Сведберга – S.

Рибосомы присутствуют в клетках как эукариот, так и прокариот, поскольку выполняют важную функцию в биосинтезе белков. В каждой клетке имеются десятки, сотни тысяч (до нескольких миллионов) этих мелких округлых органоидов. Это округлая рибонуклеопротеиновая частица. Диаметр ее составляет 20-30 нм. Состоит рибосома из большой и малой субъединиц, различающихся коэффициентами седиментации (скоростью осаждения при центрифугировании), выражаемые в единицах Сведберга – S. Эти субъединицы объединяются в присутствии нити м-РНК (матричной, или информационной, РНК). Комплекс из группы рибосом, объединенных одной молекулой м-РНК наподобие нитки бус, называется полисомой . Эти структуры либо свободно расположены в цитоплазме, либо прикреплены к мембранам гранулярной ЭПС (в обоих случаях на них активно протекает синтез белка).

Полисомы гранулярной ЭПС образуют белки, выводимые из клетки и используемые для нужд всего организма (например, пищеварительные ферменты, белки женского грудного молока). Кроме этого, рибосомы присутствуют на внутренней поверхности мембран митохондрий, где также принимают активное участие в синтезе белковых молекул.

70-90Н | вторичная стр-ра- клеверный лист | CCA 3" const для всех tRNA |к концевому аденозину присоед акта |
наличие тимина, псевдоуридина-пси, дигироуридина ДГУ в D-петле - защита от рибонуклеаз? долгоживущие | Разнообразие первичных структур tРНК - 61+1 - по кол-ву кодонов + формилметиониновая tРНК, у кот антикодон такой же, как у метиониновой tРНК. Разнообразие третичных структур - 20 (по кол-ву аминокислот) | рекогниция - образование ковалентной связи м-у tРНК и актой | аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют акты к тРНК

Функция тРНК заключается в переносе аминокислот из цитоплазмы в рибосомы, в которых происходит синтез белков.
тРНК связывающие одну аминокислоту называются изоакцепторными.
Всего в клетке одновременно существует 64 различных тРНК.
Каждая тРНК спаривается только со своим кодоном.
Каждая тРНК распознает свой собственный кодон без участия аминокислоты. Связавшиеся с тРНК аминокислоты химически модифицировали, после чего анализировали получившийся полипептид, который содержал модифицированную аминокислоту. Цистеинил-тРНКCys (R=CH2-SH) восстанавливали до аланил-тРНКCys (R=CH3).
Большинство тРНК, не зависимо от их нуклеотидной последовательности, имеют вторичную структуру в форме клеверного листа из-за наличия в ней трех шпилек.

Особенности структуры тРНК

На 3"-конце молекулы всегда находятся четыре неспаренных нуклеотида, причем три из них – это обязательно ССА. 5"- и 3"-концы цепи РНК образуют акцепторный стебель. Цепи удерживают-ся вместе благодаря комплементарному спарива-нию семи нуклеотидов 5"-конца с семью нуклеотида-ми, находящимися вблизи 3"-конца. 2. У всех моле-кул имеется шпилька T?C, обозначаемая так пото-му, что она содержит два необычных остатка: рибо-тимидин (Т) и псевдоуридин (?). Шпилька состоит из двухцепочечного стебля из пяти спаренных осно- ваний, включая пару G-C, и петли длиной семь нуклеотидов. Тринуклеотид Т?С всегда расположен
в одном и том же месте петли. 3. В антикодоновой шпильке стебель всегда представлен семью спарен-
ными основаниями. Триплет, комплементарный родственному кодону,– антикодон – находится в пет-
ле, состоящей из семи нуклеотидов. С 5"-конца антикодон фланкируют инвариантный остаток ура-
цила и модифицированный цитозин, а к его 3"-концу примыкает модифицированный пурин, как правило
аденин. 4. Еще одна шпилька состоит из стебля длиной три-четыре пары нуклеотидов и петли варь-
ирующего размера, часто содержащей урацил в вос-становленной форме – дигидроурацил (DU). Наиболее сильно варьируют нуклеотидные по-следовательности стеблей, число нуклеотидов меж-ду антикодоновым стеблем и стеблем Т?С (вариа-бельная петля), а также размер петли и локализация остатков дигидроурацила в DU-петле.
[Сингер, 1998].

Третичная структура тРНК

L-образная структура.

Присоединение аминокислот к тРНК

Для того чтобы аминокислота могла образовывать полипептидную цепь она должна присоединиться к тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Этот фермент образует ковалентную связь между карбоксильной группой аминокислоты и гидроксильной группой рибозы на 3’-конце тРНК при участии АТФ. Аминоацил-тРНК-синтетаза узнает специфический кодон не из-за наличия антикодона на тРНК, а по наличию специфического сайта узнавания на тРНК.
Всего в клетке имеется 21 различных аминоацил-тРНК-синтетаз.
Присоединение происходит в две стадии:
1. Карбоксильная группа аминокислоты присоединяется к а-фосфату АТФ. Полученный нестабильный аминоацил-аденилат стабилизируется связываясь с ферментом.
2. Перенос аминоацильной группы аминоацил-аденилата на 2’ или 3’-OH-группу концевой рибозы тРНК
Некоторые аминоацил-тРНК-синтетазы состоят из одной полипептидной цепи, другие – из двух или четырех идентичных цепей, каждая молекулярной массой от 35 до 115 кДа. Некоторые димерные и тетрамерные ферменты состоят из субъединиц двух типов. Четкой корреляции между размером молекулы фермента или характером его субъединичной структуры и специфичностью не существует.
Специфичность фермента определяется его прочным связыванием с акцепторным концом тРНК, DU-участком и вариабельной петлей. Некоторые ферменты, по-видимому, не распознают антикодоновый триплет и катализируют реакцию аминоацетилирования даже при измененном антикодоне. Однако отдельные ферменты проявляют пониженную активность по отношению к таким модифицированным тРНК и при замене антикодона присоединяют не ту аминокислоту.

70-90н | вторичная стр-ра- клеверный лист | CCA 3" const для всех tRNA |к концевому аденозину присоед акта |
наличие тимина, псевдоуридина-пси, дигироуридина ДГУ в D-петле - защита от рибонуклеаз? долгоживущие | Разнообразие первичных структур tРНК - 61+1 - по кол-ву кодонов + формилметиониновая tРНК, у кот антикодон такой же, как у метиониновой tРНК. Разнообразие третичных структур - 20 (по кол-ву аминокислот)

Имеются два вида тРНК связывающие метионин тРНКFMet и тРНКMMet у прокариот и, тРНКIMetи тРНКMMet - у эукариот. К каждой тРНК добавляется метионин с помощью соответствующих аминоацил-тРНК-синтетез. метионин присоединенный к тРНКFMet и тРНКIMet формилируется ферментом метионил-тРНК-трансформилазой до Fmet-тРНКFMet. тРНК нагруженные формилметионином узнают инициаторный кодон AUG.

Литература:

К сожалению, список литературы отсутствует.