Генетическая информация ДНК хромосом в обеспечении процессов жизнедеятельности клеток непосредственно не участвует. Механизмом актуализации этой информации является внутриклеточное образование белковых молекул с присущими им биокаталитической (ферментной), структурной, транспортной, рецепторной, сигнальной и другими функциями. Роль посредника, в задачу которого входит «перевод» наследственной информации с языка нуклеотидных последовательностей ДНК на язык аминокислотных последовательностей белков (полипептидов), играют рибонуклеиновые кислоты (РНК).
В клетке присутствует значительное число разновидностей РНК, принимающих участие во многих жизненно важных процессах. Ранее мы познакомились с РНК-праймерами (см. п. 2.4.5.3), запускающими репликацию ДНК, и snoRNA ядрышек (см. п. 2.4.3.3).
В отличие от ДНК, молекулы рибонуклеиновых кислот представлены единичной полинуклеотидной цепью, по ходу которой, однако, нередко и закономерно образуются двухцепочечные участки. Так, в молекулах транспортных РНК, наряду с пятью одноцепочечными участками, имеется 4 двухцепочечных.
Полинуклеотидная цепь РНК построена из четырех видов нуклео-тидов. Каждый из них представлен пятиуглеродным сахаром рибозой, одним из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и остатком фосфорной кислоты. Таким образом, отличия между ДНК и РНК касаются сахара (дезоксирибоза/рибоза) и одного из четырех азотистых оснований (тимин/урацил). Все РНК образуются на молекулах ДНК при участии ферментов РНК-полимераз с соблюдением правила комплементарности: адениловому нуклеотиду ДНК соответствует уридиловый нуклеотид РНК, цитидиловому — гуаниловый и гуа-ниловому — цитидиловый. В молекулах РНК встречаются химически модифицированные (неканонические) нуклеотиды (см. здесь же, ниже: например, инозин антикодонов транспортных РНК). Их количество, как правило, невелико (минорные нуклеотиды), но в аланино-вой тРНК на их долю приходится 13\%.
В отличие от репликации, когда обе полинуклеотидных цепи двойной спирали ДНК функционируют в качестве матриц, матрицей для образования РНК служит одна (матричная) полинуклеотидная цепь, комплементарная второй (кодогенной) цепи, на которой, собственно, и расположены гены (рис. 2.31). Таким образом, процесс транскрипции является асимметричным. Особенность матричной цепи ДНК состоит в том, что на ней формируется открытый для РНК-полимеразы 3′-конец.
На рис. 2.31 видно, что с учетом замены тимидиловых (Т) нуклео-тидов на уридиловые (У) последовательность кодонов и(м)РНК идентична последовательности триплетов кодогенной молекулы биспирали
ДНК.
В биосинтезе белков в эукариотических клетках задействованы три типа РНК: информационная (матричная), или и(м)РНК, рибосом-ные, или рРНК, и тРНК. Соответственно, в этих клетках имеется три РНК-полимеразы — I, II и III. РНК-полимераза I участвует в синтезе молекулы-предшественницы пре-рРНК, РНК-полимераза II — ключевой фермент в транскрипции структурных (смысловых) генов, кодирующих аминокислотные последовательности белков, а также
Рис. 2.31. Образование и(м)РНК на матричной цепи биспирали ДНК
нуклеотидные последовательности snoPHK и некоторых snRNA (англ. small nuclear RNA или малых ядерных РНК, см. здесь же, ниже). РНК-полимераза III участвует в транскрипции генов тРНК, некоторых snRNA и других преимущественно низкомолекулярных видов РНК. Отдельные РНК-полимеразы эукариот различают «свои» промоторы, чем объясняется транскрибирование ими разных видов РНК.
В прокариотических клетках функционирует одна РНК-полимераза. В стартовый мультибелковый ферментный комплекс входит диссоциируемая субъединица — фактор σ. Этот фактор находит нуклеотидную последовательность ДНК (промотор), создающую условия для начала синтеза РНК, обеспечивает, присоединяясь к ДНК, расхождение цепей биспирали на коротком протяжении и на одной из цепей строит РНК-олигонуклеотид длиной порядка 10 нуклеотидов. В этот момент фактор σ «покидает» стартовый комплекс, а процесс транскрипции при участии РНК-полимеразы переходит в фазу элонгации (наращивания) строящейся молекулы РНК путем последовательного присоединения на ее 3′-конце рибонуклеозидтрифосфатов-предшественников. Процесс продолжается до момента, когда фермент, следующий вдоль матричной цепи ДНК, достигает кодона-терминатора.
Ориентированный на обеспечение общеклеточных и специальных функций внутриклеточный трафик биоинформации — многоступенчатый процесс. В нем выделяют перенос (транскрипция) информации, записанной в нуклеотидных последовательностях (сайтах, генах) ДНК, на пре-и(м)РНК транскрипт, посттранскрипционные изменения последнего, включающие процессинг пре-и(м)РНК транскрипта с образованием зрелой и(м)РНК, «выбраковку» и(м)РНК с ошибками (см. п. 2.4.5.7), транспорт и(м)РНК в цитоплазму, перенос (трансляция) с нее информации в процессе сборки на рибосомах (полисомах) полипептидов, посттрансляционные изменения, предусматривающие «выбраковку» дефектных полипептидов, транспорт белков в соответствующие внутриклеточные структуры или выведение их из клетки, образование вторичной, третичной (фолдинг) структуры белковых молекул и надмолекулярных мультимерных белковых комплексов (четвертичная структура). Одновременно на рДНК (см. здесь же, ниже) синтезируются молекулы пре-рРНК транскрипта, происходит их процессинг, транспортировка в цитоплазму с образованием там рибосом. Для того чтобы процесс трансляции пошел, необходимы также сервисные и регуляторные факторы (главным образом, белковые), ферменты, низкомолекулярные предшественники-аминокислоты, на-
бор необходимых тРНК. Процесс транскрипции, процессинга и ядерно-цитоплазматического транспорта и(м)РНК рассмотрен в деталях ниже (см. п. 2.4.5.5).
У эукариот образование рРНК (см. п. 2.4.3.3) происходит в зоне расположения кластеров соответствующих генов (рДНК, ядрышковые организаторы) одним блоком (45S пре-РНК транскрипт) и катализируется ферментом РНК-полимеразой I. В результате процессинга пре-рРНК транскрипта образуются молекулы 28S, 18S и 5,8S рРНК (см. рис. 2.20). Гены 5S рРНК транскрибируются отдельно ферментом РНК-полимеразой III. Особенностью рибосомных РНК является их относительное богатство гуаниловыми и цитидиловыми нуклеотидами. Во вторичной структуре рРНК много двухцепочечных участков и петель.
Транспортные РНК, или тРНК — это небольших размеров (не более 100 нуклеотидов, наиболее часто — 76) молекулы, напоминающие по форме в схематическом изображении клеверный лист (рис. 2.32). «Стебли» с петлями образуются благодаря внутреннему спариванию азотистых оснований. В функциональном отношении наиболее важны участки: З’-ЦЦА («гибкая рука») или акцепторный, к которому присоединяется аминокислота, и антикодоновый или триплет неспа-ренных нуклеотидов, спаривающийся с кодоном и(м)РНК.
Специфическое соединение («зарядка») тРНК со «своей» аминокислотой происходит в два этапа (рис. 2.33). На первом аминокислота взаимодействует с АТФ. Итогом является ее активация, то есть переход в высоко энергизированное состояние. На втором этапе такая аминокислота при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяется к 3′-концу (акцепторному) тРНК с образованием ами-ноацил-тРНК или аа-тРНК. В этой форме аминокислота готова к участию в процессе трансляции.
Так как количество смысловых кодонов для отдельных аминокислот равно 61, логично предположить, что число разных тРНК такое же. На самом деле количество тРНК, хотя и выражается десятками (порядка 40 тРНК задействовано в биосинтезе белка в цитоплазме эукариотиче-ских клеток; в митохондриях используется 22 разных тРНК), но меньше названной цифры за счет того, что антикодон одной тРНК может узнавать несколько кодонов, правда, если они «шифруют» одну и ту же аминокислоту. Это обеспечивается механизмом неоднозначного спаривания или «качания» тРНК. Суть его состоит в том, что благодаря гибкости близлежащего к антикодону участка молекулы транспортной РНК третий нуклеотид антикодона, например У, взаимодействует в ко-
Рис. 2.32. Структура тРНК (клеверный лист) в схематичном изображении
Рис. 2.33. Образование аминоацил-тРНК
доне не только с А (канонический вариант), но и с Г, а Г не только с Ц (канонический вариант), но и с У. Таким образом, один и тот же анти-кодон «3’ЦГГ5’» взаимодействует с кодонами «5’ГЦУ3’» и «5’ГЦЦ3’». Оба названных кодона соответствуют аминокислоте аланин. Для более
гибкого взаимодействия «антикодон тРНК — кодон и(м)РНК» анти-кодон нередко содержит нестандартное азотистое основание, в частности, гипоксантин (или инозин), узнающий Ц, У и А нуклеотиды кодонов (читается в направлении от 5′ к 3′). Молекула тРНК связывается с кодоном одной аминокислоты, если третий нуклеотид анти-кодона (читается в направлении от 3′ к 5′) Ц или А, с кодонами двух аминокислот, если третий нуклеотид У или Г, и с кодонами трех аминокислот, если третий нуклеотид инозин. Молекулы тРНК образуются на матрице ДНК при участии фермента РНК-полимеразы III (также как
5S рРНК).