Биология в школе, 2018, № 1
научно-практический журнал
Покупка
Тематика:
Биология. Ботаника. Зоология. Анатомия
Издательство:
Школьная Пресса
Наименование: Биология в школе
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
1/2018 БИОЛОГИЯ в школе В НОМЕРЕ: Учредитель: ООО «Школьная Пресса». Издается с 1927 г. Периодичность — 8 номеров в год НАУКА 3 Кропова Ю.Г. Актуальные проблемы молекулярной биологии Люди науки, творчество, личность 15 Суматохин С.В. В.В.Докучаев — великий учёный, сделавший себя сам МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ 31 Чередниченко И.П. Школьное биологическое образование: проблемы структуры и содержания 36 Ионина Н.Г. Место биологического образования в современной школе 40 Ващенко О.Л. Качество биологического образования: что зависит от учителя 43 Гаджидадаев М.З., Борзова З.В. Готов ли учитель к переменам? Опыт, педагогические находки 47 Макаренко В.П., Наконечная М.Х. Урок «Семейство Розоцветные» УЧИТЕЛЮ ЭКОЛОГИИ 54 Дьячкова Ю.М., Васильева Л.В. Система экологического образования в Лобненском лицее 59 В блокнот учителя
ВНЕУРОЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 60 Кулёв А.В. Ученическое научное общество «Юный биолог» 66 Максимова Т.В. Исследовательская работа учащихся в курсе внеурочной деятельности «Полевая и практическая биология» В биологическом кружке 70 Кулёв А.В. Цихлазомы в аквариуме школьника 77 Собака – верный друг человека К с в е д е н и ю а вто р о в: рукописи, присланные в редакцию, не возвращаются. Редакция знакомится со всеми письмами читателей, но оставляет за собой право не вступать в переписку. Издание охраняется Законом РФ об авторском праве. Любое воспроизведение материалов, размещенных в журнале, как на бумажном носителе, так и в виде ксерокопирования, сканирования, записи в память ЭВМ, и размещение в Интернете запрещается. Главный редактор С.В. Суматохин Зам. главного редактора Л.Ю. Ганич Редактор отдела Е.Н. Огольцова Ответственный секретарь Е.Н. Огольцова Редакционная коллегия: С.В. Алексеев, Н.Д. Андреева, М.М. Асланян, Т.В. Барсукова, К.А. Жумагулова, Г.С. Калинова, А.А. Каменский, В.Н. Кириленкова, М.П. Кирпичников, А.В. Кулев, А.Г. Кузнецова, В.В. Латюшин, Г.И. Лернер, Н.М. Мамедов, Б.М. Миркин, В.В. Пасечник, И.Н. Пономарёва, А.П. Пуговкин, Л.В. Реброва, В.А. Самкова, Е.Д. Станисавлъевич, С.В. Суматохин, И.Т. Суравегина, Д.Л. Теплов, А.В. Теремов, Е.В. Титов Редакция не всегда разделяет мнения и оценки, содержащиеся в материалах. Адрес редакции и издательства: корреспонденцию направлять по адресу: 127254, г. Москва, а/я 62 тел.: 8 (495) 619-52-87, 619-83-80 E-mail: biologia@schoolpress.ru Сайт: http: // www.школьнаяпресса.рф E-mail: marketing@schoolpress.ru Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свид. о рег. ПИ № ФС77-38549 от 21 декабря 2009 г. Формат 84×108/16 Усл. печ. л. 5.0. Изд. № 3161. Заказ Учредитель — ООО «Школьная Пресса» Отпечатано в АО «ИПК «Чувашия», 428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, д. 13 © ООО «Школьная Пресса», © «Биология в школе», 2018, №1 Следующий выпуск электронного издания выйдет вместе с № 3, 2018 г. Пятилетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,244 Двухлетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,467 Журнал рекомендован Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Журнал зарегистрирован в базе данных Российского индекса научного цитирования.
Ю.Г. Кропова, кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии, экологии и методики обучения биологии МГПУ e-mail: j_g_krop@mail.ru Ключевые слова: репликация, транскрипция, трансляция, фолдинг, эсперссия генов, генная инженерия. Keywords: replication, transcription, broadcasting, folding, esperssiya of genes, genetic engineering. В статье рассмотрен путь реализации генетической информации в клетке, включающий такие процессы, как репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Детальное изучение всех этапов экспрессии генов, а также открытие и разработка методов использования ряда ферментов привели к созданию технологии рекомбинантных ДНК и возникновению генной инженерии. The article describes the way of realization of genetic information in the cell, including processes such as DNA replication, transcription and translation. A detailed study of all stages of gene expression and the discovery and development of methods for the use of a number of enzymes led to the creation of recombinant DNA technology and the emergence of genetic engineering. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Центральный постулат молекулярной биологии, предложенный в 1958 г. Ф. Криком, формулирует путь реализации генетической информации в клетке: ДНК РНК белок В дальнейшем открытие новых ферментов позволило конкретизировать этот постулат: ДНК ДНК Про-мРНК мРНК Полипептид Белок репликация транскрипция процессинг трансляция фолдинг Таким образом, генная экспрессия представляет собой совокупность молекулярных механизмов реализации наследственной информации. Процесс удвоения молекул геномной ДНК во время воспроизведения клеток живого организма получил название репликации. Процесс репликации — пример матричного синтеза биомолекул [Албертс и др., 1994]. Матричный синтез ДНК, катализируемый ДНКполимеразами, выполняет две основные функции: репликацию ДНК — синтез но вых дочерних цепей и репарацию двунитевых ДНК, имеющих разры вы в одной из цепей, образовавшихся в результате выре НАУКА
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2018 Биология в школе зания нуклеазами повреждённых участков этой цепи. У прокариот и эукариот существует три разновидности ДНК-полимераз. Эти ферменты независимо от типа клеток, в которых происходит реплика ция, присоединяют нуклеотид к ОН-группе на З'-конце одной из цепей ДНК, которая растёт в направлении 5'→3. Помимо этого, все полимеразы способны деградировать ДНК, отщепляя нуклеотиды в направлении 3'→5. В 1957 г. Мезельсон и Сталь, изучая E. сoli, установили, что на каждой свободной цепи фермент ДНК-полимераза строит новую, комплементарную цепь. Это полуконсервативный способ репликации. Молекула ДНК, способная к репликации, называется репликон. Репликон включает в себя все необходимые гены и регуляторные последовательности, которые нужны для обеспечения удвоения ДНК. Участок репликона, в котором начинается процесс, называется репликатор. Обычно репликация начинается в строго определённых участках — участках ori (origin of replication), и от них распространяется в обе стороны. Участкам ori предшеству ют точки разветвления материнских цепей ДНК. Участок, примыка ющий к точке разветвления, получил название репликативной вилки. В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, при этом расплетаются все новые участки родительской ДНК до тех пор, пока вилка не дойдёт до точки терминации. Разделе ние цепей достигается с помощью специальных ферментов — хеликаз (топоизомераз). Необходимая для этого энергия высвобождается за счёт гидролиза АТФ. Хеликазы перемещаются вдоль полинуклеотидных цепей сразу в двух направлениях. Для начала синтеза ДНК необходима затравка — праймер. Роль праймера выполняет короткая рибонуклеотидная последовательность (10–60 нуклеотидов). Она синте зируется комплементарно определённому участку ДНК при участии праймазы. После образования праймера в работу включается ДНК-полимераза. Элонгация расту щей цепи по мере раскручивания двунитевой материнской ДНК мо жет идти только вдоль одной цепи матрицы, той, относительно которой вилка репликации движется от 3' к 5'-концу. Непрерывно синтезиру емая цепь называется лидирующей. Синтез на запаздывающей цепи также начинается с образования праймера и идёт в направлении, противоположном ведущей цепи, — от вилки репликации. Запаздыва ющая цепь синтезируется фрагментарно (в виде фрагментов Оказа ки), так как праймер образуется только тогда, когда вилка репликации освободит тот участок матрицы, который имеет сродство к праймазе. Сшивание фрагментов Оказаки с образованием еди ной цепи носит название процесса созревания. При созревании цепи РНК-затравка удаляется как с 5'-конца ве дущей цепи, так и с 5'-концов фрагментов Оказаки, а эти фрагменты сшиваются друг с другом. Удаление затравки осуществляется при участии особой экзонуклеазы. Этот же фермент вместо удалённой РНК присо единяет дезоксинуклеотиды, используя свою 5'→3' полимеразную активность. При этом в случае присоединения «неправильного» нуклеотида осуществляется «корректорская правка» — удаление основа ний, образующих некомплементарные пары. Этот процесс обеспечи вает чрезвычайно высокую точность репликации, отвечающую одной ошибке на 109 пар оснований. Коррекция осу ществляется в тех случаях, когда к З'-концу расту щей цепи присоединяется «неправильный» нуклеотид, неспособный образовать нужные водородные связи с матрицей. Раскручивание хеликазами части двойной спирали ДНК в хромо сомах эукариот приводит к сверхспирализации осталь
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. ной части струк туры, что неизбежно сказывается на скорости процесса репликации. Сверхспирализации препятствуют ДНК-топоизомеразы. Таким образом, в репликации ДНК, помимо ДНК-полимеразы, принимает участие большой набор ферментов: хеликаза, праймаза, РНКаза Н, ДНК-лигаза и топоизомераза. Биосинтез ДНК на матрице РНК — обратная транскрипция — происходит при участии фермента ревертазы, или обратной транскриптазы, или РНК-зависимой ДНК-полимеразы. Передача наследственной информации в неискажённом виде — важнейшее условие выживания как отдельного организма, так и вида в целом. Существует несколько причин высокой стабильности структуры и функций ДНК. Во-первых, это высокая химическая стабильность самой молекулы ДНК, во-вторых, наличие cпeциaльных мexaнизмoв репарации возникающих изменений. Широкий набор различных репликационных ферментов осуществляет непрерывный «осмотр» ДНК и удаление из неё повреждённых нуклеотидов. Способность клеток к исправлению повреждений в молекулах ДНК получила название репарации (reparatio — «восстановление»). Наследственная информация представлена в ДНК в виде цепей двойной спирали ДНК. Благодаря этому случайное повреждение в одной из цепей может быть исправлено репликационным ферментом и данный участок цепи восстановлен в своём нормальном виде за счёт информации, содержащейся в неповреждённой цепи. Классификация репараций. По времени осуществления в клеточном цикле различают дорепликативную, репликативную и пострепликативную репарацию. Дорепликативная репарация. Это процесс восстановления по вреждённой нити ДНК до её удвоения. В простейших случаях разрывы могут быть воссоединены ферментом лига зой. В других случаях ис пользуется полная ферментативная система эксцизионной или неэксцизионной репарации. Репликативная репарация — совокупность процессов восста новления ДНК в ходе репликации. При этом повреждённый участок удаляется в ходе репликации в зоне роста цепи. В обеспечении высокой точности репликации большая роль принадлежит механизму само коррекции, осуществляемому ДНК-полимеразой или тесно связанной с ней ферментом эндонуклеазой. Этот процесс связан с определением ошибочно включённого в цепь нуклеотида, отщеплением его и заменой на соответствующий элемент. В результате этого частота ошибок снижается в 10 раз (с 10-5до 10-6). Пострепликативная репарация. Механизм данного типа репарации до сих пор детально не изучен. При пострепликативной репарации происходит вырезание повреждённого участка, что изменяет ген. При этом клетка может сохранять жизнеспособность и передавать дефектную ДНК дочерним клеткам. Предполагают возможность наличия различных вариантов синтеза ДНК на повреждённой матрице. По механизмам осуществления репарация подразделяется на неэксцизионную репарацию и эксцизионную (вырезающую) репарацию. Неэксцизионная репарация. В результате ультрафиолетового облучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в них возникают димеры, т.е. сцепленные между собой соседние пиримидиновые основания. Димеры могут формироваться между двумя тиминами, тимином и цитозином, двумя цитозинами, тимином и урацилом, двумя урацилами. Однако облучённые клетки на свету выживают гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин этого явле ния, установлено, что в повреждённых клетках на свету происхо
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2018 Биология в школе дит репарация ДНК (фоторепарация). Она осуществляется специальным ферментом ДНК-фотолигазой, активирующейся квантами видимого света. Фермент соединяется с повреждённой ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК. Фотоактивируемый фермент ДНК-фотолигаза не является видоспецифичным, т.е. действует на разные виды ДНК. В качестве кофермента в нём имеется цианокобаламин (витамин В2), поглощающий кванты видимого света и передающий энергию молекуле фермента. При неэксцизионной световой репарации исправляются поврежде ния, возникшие только под воздействием ультрафиолетовых лучей. На ранних стадиях эволюции живых организмов, когда отсутствовал озоновый экран, задерживающий большую часть потока губительных для организмов солнечных ультрафиолетовых лучей, фоторепарация играла особенно важную роль. При эксцизионной (вырезающей) репарации устраняются по вреждения, появившиеся под влиянием ионизирующей радиации, химических веществ и других факторов. Это основной тип репарации, который обнаружен как у прокариот, так и в клетках эукариот. Ме ханизм эксцизионной репарации ДНК отличается тем, что не только разрезаются димеры (как при световой), но и вырезаются большие участки молекулы ДНК (до нескольких сотен нуклеотидов). Транскрипцией называют биосинтез РНК на матрице ДНК. Это первая стадия реализации генетической информации, в процессе которой переписывается информация с определённых участков ДНК на молекулу РНК. В результате транскрипции образуются мРНК, кодирующие аминокислотные последовательности белков, а также синтезируются тРНК и рРНК. В основе транскрипции лежит принцип комплементарности азотистых оснований полинуклеотидных цепей, а сам процесс осуществляется с помощью ферментов РНК-полимераз и белков — регуляторов транскрипции. Синтез РНК на матрице ДНК ведут ДНКзависимые РНК-полимеразы, относящиеся к группе нуклеотидилтрансфераз, субстратом для которых являются нуклеозид-5´трифосфаты. Рост цепи РНК осуществляется посредством последовательного присоединения рибонуклеозид-5´-монофосфатов к 3´-гидроксильной группе рибозы предшествующего нуклеотида (в направлении 5´ → 3´). Разные виды РНК у эукариот осуществляют синтез различных видов РНК, тогда как у прокариот все виды РНК синтезируются с помощью одного фермента. У всех видов организмов процессу транскрипции подвергаются определённые участки молекулы ДНК — транскриптоны. Они ограничены двумя последовательностями: промотором (зона начала транскрипции) и терминатором (зона окончания процесса транскрипции). Инициация транскрипции происходит на строго определённом участке матрицы, расположенном после промотора. Синтез РНК всегда начинается с оснований А или G в «+»-цепи ДНК, а участок связывания фермента рас положен выше точки инициации примерно на 10 оснований. Элонгация цепи РНК наступает после присоединения нескольких нуклеозидов. В этот момент РНК-полимераза претерпевает структур ные изменения: у прокариот от фермента отделяется σ-субъединица, а остав шийся кор-фермент — комплекс (а2ββ') субъединиц — катализирует дальнейшее удлинение цепи РНК. Движущийся вдоль ДНК кор-фер мент действует подобно застёжке-молнии и раскрывает двойную спи раль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК в «минус»-цепи.
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Терминация цепи РНК происходит на специфических участках ДНК — терминаторах. РНК чаще всего образуются в виде предшественников, которые уже без участия матричных систем превра щаются в зрелые молекулы. Всю совокупность происходящих при этом превращений как с РНК, так и с белками называют процессингом. Например, молекулы мРНК образуются из больших по размеру предшественников, называемых гетероядерной РНК (гяРНК). Для образования зрелой мРНК из этих молекул ферментативным путём удаляются лишние концевые олигонуклеотиды (по 5'- и З'-концам), а также имеет место «монтаж» (сплайсинг) — уда ление крупных вставочных последовательностей, соответствующих интронам (некодирующим участкам) ДНК, с одновременным воссоединением концов соседних экзонов (кодирующих участков) в единую цепь. Наконец, многие РНК, в первую очередь тРНК, подвергаются многочисленным химическим превращениям, приво дящим к образованию в составе зрелой молекулы широкого спек тра минорных компонентов, таких как дигидроуридин, 4-тиоуридин, инозин и др. Процесс транскрипции у прокариот и эукариот существенно различается. Транскриптон бактерий называется оперон. Оперон, как правило, включает в себя нуклеотидные последовательности — цистроны, кодирующие структуру нескольких белков. Поэтому синтезируемая на оперонах бактерий мРНК является полицистроновой и может быть использована для синтеза нескольких белков. Бактериальные РНК-полимеразы состоят из нескольких субъединиц. Их комплекс — холофермент. Для инициации транскрипции необходимы холофермент, нуклеозидтрифосфат (всегда АТФ или ГТФ) и наличие специального участка в ДНК — промотора. Когда полимераза свя зывается с промото ром, происходит локальное рас плетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный комплекс. Промотор — участок молекулы ДНК, имею щий размер около 40 пар оснований и располо женный непосредственно перед участком инициации транскрипции. Синтез РНК всегда начинается с оснований А или Г цепи ДНК. Участок связывания холофермента расположен выше сайта инициации на расстоянии примерно 10 оснований. Таким образом, холофермент связывается со специфической последовательностью или группой последовательностей. Обычно на расстоянии около 40 оснований выше участка инициации находится второе место связывания РНК-полимеразы. Терминация (прекращение роста) цепи РНК проис ходит на специфических участках ДНК — терминаторах. Начало этих участков обычно обо гащено ГЦ-парами, а остальная последователь ность — АТ-парами. ГЦ — богатый участок часто пред ставляет собой палиндром. Транскрипция у прокариот регулируется на стадии инициации и связана с деятельностью регуляторных белков — активаторов и репрессоров транскрипции. В 1961 г. два французских биолога Ф. Джакоб и Ж. Моно предложили механизм регуляции генов, назван ный гипотезой оперона. Оперон — это последовательность функционально значимых сегментов ДНК, а также структурных генов, кодирующих синтез определённой группы белков одной метаболической цепи. Оперон как регулируемая единица транскрипции состоит из следующих структурных частей: промотор — участок ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза и начинается транскрипция; оператор — участок промотора, связывающий белок-регулятор;
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2018 Биология в школе структурные гены (цистроны) — участки ДНК, кодирующие мРНК конкретных белков. Терминатор — участок ДНК, который несёт сигнал об остановке транскрипции. Гены-регуляторы под действием клеточных факторов обусловливают синтез регуляторных белков. Такие белки, соединяясь с определёнными нуклеотидными последовательностями ДНК (оператором), могут способствовать или препятствовать присоединению РНК-полимеразы к промотору. Если белок-регулятор не даёт возможность ферменту присоединяться к промотору, он называется репрессором. В этом случае осуществляется негативный контроль транскрипции со стороны гена-ре гулятора. Если же белок-регулятор способствует присоединению РНК-полимеразы к промотору и началу процесса транскрипции, его называют белком-активатором, и осуществляется позитивный контроль со стороны гена-регулятора. В процессах регуляции экспрессии генов принимают участие так же вещества небелковой природы (эффекторы), взаимодействующие с белками-регуляторами и изменяющие их способность связываться с опероном. Например, конечный продукт метаболической цепи. В за висимости от результатов такого воздействия среди эффекторов раз личают индукторы, способствующие транскрипции, и корепрессоры, препятствующие ей. Транскрипция у эукариот. У эукариот для транскрипции используются три ДНК-зависимых РНК-полимеразы. Полимераза I локализована в ядрышке, где она катализирует синтез рРНК в виде большого первичного транс крипта, содержащего молекулы рРНК 18S, 5,8S и 28S. Полимераза II находится в нуклеоплазме и, вероятно, участвует в синтезе первичного транс крипта мРНК. Полимераза III также локализована в нуклеоплазме и участвует в синтезе тРНК и 5S-pPHK. Синтез РНК включает стадии инициации, элонга ции и терминации, но в этих процессах часто принимают участие другие ферменты и последова тельности оснований, чем у прокариот. Например, промоторные последовательности у эукариот отли чаются от таковых у прокариот. Однако первыми основаниями, включаемыми в РНК при инициации, являются, как и у прокариот, А или Г. Ни одна РНК-полимераза эукариот не способна самостоятельно связываться с промоторами транскрибируемых генов. Для присоединения к транскриптонам эукариот необходимы специфичные белковые факторы транскрипции (TF-факторы). Различные факторы транскрипции присоединяются к молекуле ДНК в различных местах относительно точки начала транскрипции. Несмотря на относительно малый объём информации о белковых факторах транскрипции, выявлены некоторые закономерности. Так, эти белки обычно включают два домена, один из которых отвечает за связывание ДНК, второй — за регуляцию транскрипции. На данный момент известно три основных семейства белков — факторов транскрипции. Белки «спираль-поворот-спираль» (helixtum-helix). Эта группа ДНК-связывающих белков представлена в большинстве случаев гомодимерами. Каждая субъединица белка содержит альфа-спираль, которая подходит к большой бороздке спирали ДНК. Это «уз нающий домен». Остальная часть белка всегда выгибается из молекулы ДНК и обвивает её, а вторая альфа-спираль белка входит в большую бороздку на следующем витке ДНК. Ко гда такие белки соединяются с участком ДНК, они изменяют конформацию ДНК и делают её либо более доступной для транскрипции (и тогда они служат «индуктора ми»), либо менее доступной (тогда они работают как «репрессоры»).
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Белки типа «цинковый палец». Белки этой группы названы так потому, что они имеют участок приблизительно из 23 аминокислот, который содержит чередующиеся остатки цистина и гистидина и формирует пальцевидные выступы, чья структура поддерживается благодаря связанным ионам цинка. Такие белки взаимодействуют с ДНК с помощью петлевидных участков. Рецепторы глюкокортикоидов, эстрогенов, витамина А, прогестерона, гормонов щитовидной железы и ретиноевой кислоты содержат по два «цин ковых пальца». Амфифильные спиральные белки. Эта груп па включает две подгруппы: белки «спи раль-петля-спираль» (helix-loop-helix) и белки типа «лейциновых молний». Белкирегуляторы, имеющие структуру типа «лейциновых молний», могут формировать либо гомодимеры, в которых обе субъединицы идентич ны, либо гетеродимеры, в которых субъединицы не похожи друг на друга. Гетеродимеры состоят из двух различных белков с разной специфичностью к ДНК, поэтому способность определённых факто ров транскрипции к формированию функциональных димеров значительно увеличивает разнообра зие ДНК-связывающих белков и, следовательно, вариабельность контроля гена. Образование гетеродимеров и даже олигомеров ДНК-связывающих белков (т.е. комбинационный контроль) — один из важнейших механизмов, используемых эукариотической клеткой для регуляции экспрессии генов. Также важно, что не все факторы транскрипции формируют гетеродимеры. Иначе перекрёстный контроль и специфичность регуляции генов в клет ке были бы невозможны. Разнообразие белковых факторов транскрипции у эукариот связывают с разнообразием регуляторных последовательностей, характерных генам эукариот. К таким факторам также относят энхансеры (усилите ли), сайленсоры (глушители) и адапторные элементы. Эти элементы могут быть удалены от точки начала транскрипции, а их действие происходит посредством работы регуляторных белков. В свою очередь, белки-регуляторы транскрипции могут активироваться и инактивироваться различными способами. К примеру, активация может осуществляться посредством присоединения низкомолекулярных лигандов, фосфорилирования определённых аминокислотных остатков. Регуляция на уровне транскрипции осуще ствля ется при синтезе мРНК. Средние концентрации ин дивидуальных мРНК, транскрибируемых с разных генов, сильно отличаются друг от друга. Это обусловлено тем, например, что мРНК-копии од них генов разрушаются быстрее других, либо тем, что их синтез происходит медленнее. Регуляция может осуществляться при помощи белков, спо собных связываться с ДНК, и даже при помощи коротких фрагментов РНК, которые спариваются с ДНК, предположительно блокируя места при крепления РНК-полимеразы. Таким образом, ско рость транскрипции может снижаться или, наобо рот, повышаться. Процессинг РНК. Образовавшиеся в процессе транскрипции первичные РНК-транскриптоны, как правило, функционально неактивны. Они претерпевают ряд модификаций — процессинг РНК. Процессинг мРНК включает три варианта: сплайсинг, кэпирование и полиаденилирование. Сплайсинг — это вырезание из пре-мРНК некодирующий областей — интронов — и сшивание кодирующих фрагментов — экзонов. Существует несколько механизмов сплайсинга. Наиболее распространённый вариант — вырезание интронов с помощью мяРНК. Кэпирование — образование на 5'-конце мРНК особой структуры «шапочки», или
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2018 Биология в школе кэпа. Кэп в дальнейшем узнаётся белками и способствует связыванию мРНк и рибосомы. Также кэп защищает мРНК от экзонуклеаз. Полиаденилирование — образование на 3'-конце олиго (А)-фрагмента, содержащего порядка 150 остатков адениловой кислоты подряд. Поли — (А) — хвост определяет стабильность молекулы мРНК и способствует её выходу из ядра в цитоплазму. Процесс созревания РНК помимо уже указанных сплайсинга, полиаденилирования и кэпирования, включает некоторые модификации первичной структуры молекулы, называемые редактированием. К этим реакциям относятся различные варианты модификации азотистых оснований, такие как дезаминирование, метилирование и восстановление. В результате этих модификаций образуются нетипичные для РНК минорные основания: инозин, дегидроурацил и пр. Редактированием также являются вставки нуклеотидов внутрь транскрибируемой цепи РНК. Трансляция (биосинтез белка) — важнейший этап реализации генетической программы клеток. В ходе трансляции информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность белковых молекул. Трансляция происходит с участием внутриклеточных органелл — рибосом. В этом процессе принимают участие мРНК, тРНК и рРНк, а также белковые факторы трансляции. Выделяют 5 этапов трансляции: рекогниция, образование инициаторного комплекса, инициация, элонгация и терминация. Рекогниция — подготовительный этап трансляции, суть которого заключается в образовании ковалентной связи между тРНК и соответствующей ей аминокислотой. Этот этап состоит из двух стадий: 1. Активирование аминокислоты. 2. Присоединение аминокислоты к tРНК — аминоацилирование. Обе стадии рекогниции осуществляются ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой (APC-азой, кодазой). Существует 20 вариантов кодаз (по числу аминокислот). У каждой кодазы выделяют 3 центра опознавания. Особенностью ферментов является то, что каждая АРС-аза узнает третичную структуру тРНК. В процессе активирования аминокислоты важная роль отводится особой тРНК — формилметиониновой. Эта нуклеиновая кислота узнаётся метиониновой кодазой, затем соединяется с метионином и уже после реакции аминоацилирования метионин формилируется специальным ферментом, который узнаёт эту форму тРНК. Именно с формилметионина начинается синтез любого полипептида у прокариотических организмов. Таким образом, аминоацилирование — это образование связи между аминокислотой и тPHК. Следующие этапы трансляции, собственно синтез полипептидов, происходят на рибосомах. Рибосомы любых организмов — от бактерий до млекопитающих, характеризуются сходством структуры и состава, хотя клетки про кариот имеют рибосомы меньших размеров и в меньшем количестве. Каждая состоит из нескольких разновидностей молекул рРНК и десятков разновидностей белков примерно в одинаковой про порции. Маленькая и большая субъединицы находятся в цитоплазме по отдельности, пока не вовлечены в белковый синтез. Они объединяются друг с другом молекулой мРНК при необходимости синтеза и вновь разъединяются с прекращением процесса. В рибосомах выделяют четыре каталитических центра:
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. центр специфического узнавания Асп. Здесь происходит взаимодействие кодон-антикодон; пептидильный, или донорный, центр (Р-центр). Этот участок является донором формилметионина при инициации, или пептидила при элонгации трансляции; акцепторный или аминоацильный А-центр акцептирует формилметионин в самом начале или пептидил при элонгации трансляции; каталитический К-центр сопряжён с синтезом полипептидов на рибосоме. Механизм трансляции у прокариот (Е. соli). Стартовым сигналом к началу синтеза белка служит расположенный на мРНК кодон АUG, кодирующий метионин. В растущей полипептид ной цепи первым аминокислотным остатком всегда будет либо метионин, либо валин. Формилметионин является той моди фицированной формой метионина, с которой начинается синтез белка. Он присоединяется к молекулам тРНК определённого типа. Инициация синтеза белка начинается с момента образования инициирующего комплекса на 30S-субчастице, состоящего из мРНК, 3ОSсубчастицы рибосомы и молекулы aминoaцил-тPHKf с присо единённым формилметионином, которая связывается с участком Р. Следующим шагом является присоединение 50S-cyбчacтицы, в результате чего образуется 70S-инициирующий комплекс. Источником энергии для инициации синтеза белка служит реакция гидролиза ГТФ. На этом этапе необходимы еще несколько белков, называемых факторами ини циации (IF1, IF2 и IFЗ). Элонгация — последовательное включение ами нокислотных остатков в состав растущей поли пептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трёх этапов: 1) узнавание кодона, 2) образо вание пептидной связи и 3) транслокация. Узнавание кодона заключается в связывании антикодона очередной молекулы аминоацил — тРНК с кодоном свободного участка А на рибосоме. Чтобы прикрепиться к рибосоме, тРНК с при соединённой к ней аминокислотой должна сначала образовать комплекс с белком, называемым фак тором элонгации ЕF-Тu, или EF1, который пред варительно должен быть активирован с помощью ГТФ. После того как произойдёт связывание всего комплекса с участком А рибосомы, осуществляется гидролиз ГТФ, удовлетворяющий энергетические потребно сти на этом этапе элонгации. Фактор EF1, неспособный более связываться с тРНК, покидает рибосому, на которой остаётся аминоацил-тРНК. Регенерацию активированного фактора EF1 ката лизирует второй фактор элонгации, ЕF-Тs, или EF2, который замещает ГДФ в неактивирован ном комплексе, в результате Образование пептидной связи происходит лишь тогда, когда оба участка, А и Р, заняты молеку лами аминоацил-тРНК. Часть 50S-cyбчacтицы пред ставляет собой фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи. В ре зультате этой реакции растущая полипептидная цепь оказывается присоединённой к тРНК участка А, а тРНК участка Р высвобождается из ком плекса с пептидом и несёт на З'-конце группу — ОН. Транслокация включает три акта, катализируемых ещё одним фактором элонгации, EF-G (EFЗ), и энергетически сопряжённых с гидролизом ГТФ. Сначала тРНК центра Р, не связанная с пеп тидом, покидает рибосому, затем молекула полипептидил-тРНК переходит с участка А на Р и, наконец, рибосома перемещается вдоль мРНК на три нуклеотидных остатка в сторону З'-конца. В результате этих трёх актов освобождается центр А и экспонируется очередной кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации.
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2018 Биология в школе Терминация, т.е. окончание синтеза, происходит по команде стоп-кодонов УАА, УГА или УАГ. Вместо продолжения синтеза цепи происходит терминация, катализируемая специальными белка ми, которые названы факторами терминации (RF1 и RF2) и которые узнают терминирующие кодоны, когда свободен участок А. Эти факторы изме няют специфичность фермента пептидилтрансферазы таким образом, что происходит гидролиз связи между концевым пептидом и тРНК, а осво бождённая полипептидная цепь диффундирует от рибосомы. Вслед за этим происходит диссоциация комплекса мРНК- рибосома. Далее рибосома дис социирует на 30S- и 50S-cyбчacтицы. После реассоциации этих субчастиц с другой молекулой мРНК весь цикл синтеза белка начинается сначала. Трансляция у эукариот, осуществляющаяся в цитоплазме, включает такие же этапы, что и трансляция у прокариот. Основным отличием здесь является то, что первым остатком в растущей полипептидной цепи является метионин, а не формилметионин. В роли факторов инициации и элонгации выступают различные белки. Ещё одно существенное отличие состоит в том, что в цитоплазме эукариот рибосомы бо лее крупные (80S). У митохондрий и хлоропластов трансляция осу ществляется в самих этих органеллах. Рибосомы, которые они содержат, представляют собой 70S-частицы и похожи на рибосомы бактерий. При инициации используется формилметионин. Последовательность событий при трансляции у эукариот такова: первоначально информосомы переносят мРНК в цитоплазму, затем образуется комплекс старта трансляции: мРНК + малая субъединица рибосомы + стартовая тРНК. После этого происходит присоединение большой субъединицы рибосомы и начинается синтеза белка от 5’ к 3’ концу. В это же время происходит активация аминокислот путём их взаимодействия с АТФ, а также присоединение активированных аминокислот к специфической тРНК. Далее идёт собственно трансляция или полимеризация аминокислотных остатков на рибосоме в полипептидную цепь. Окончание синтеза (терминация) происходит в тот момент, когда рибосома доходит до кодона-терминатора и весь комплекс — мРНК, малая и большая части рибосомы, тРНК, белок — распадается, и при необходимости он снова может собираться к новому синтезу белка. Весь процесс трансляции идёт с помощью дополнительных специальных бел ков: факторов инициации, элонгации, терминации. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов. Регуляция трансляции осуществляется за счёт того, что исключается возможность ис пользования мРНК в качестве матрицы для синте за белка, хотя она и присутствует в цитоплаз ме. Регуляция основана на том, что многие белки синтезируются в неактивной фор ме и должны еще пройти стадию модификации. Так, в ß-клетках поджелудочной железы синтези руется не инсулин как таковой, а его предшест венник, полипептидная цепь которого длиннее инсулиновой и содержит ещё некоторую добавочную последовательность аминокислотных остатков. Лишь после того, как эта последовательность вырезается протеолитическим ферментом, получается собственно гормон в своей функциональной фор ме. Производство активного гор мона может регулироваться посттрансляционным путём через регуляцию активности протеолитического фермента. Посттрансляционная модификация белков. Синтезированный из аминокислот полипептид — это практически пря