Molekulārās bioloģijas pamatdogma. Molekulārās bioloģijas galvenā dogma. Molekulārās bioloģijas pamatpostulāts

Lai ne tikai izprastu šūnas strukturālo iezīmju nozīmi, bet, pats galvenais, izprastu tās atsevišķo komponentu un visas šūnas funkcionālās funkcijas kopumā, lai apvienotu šūnu morfoloģijas izpēti ar tās uzbūves un darbības svarīgākās bioķīmiskās un ģenētiskās iezīmes, lai pētītu šūnu tieši ar mūsdienu šūnu bioloģijas pozīcijām, ir nepieciešams vismaz īsi atgādināt molekulāri bioloģiskos pamatprincipus un vēlreiz īsi atsaukties uz šūnas saturu. centrālā molekulārās bioloģijas dogma.

Šūna kā tāda pilda daudzas dažādas funkcijas. Kā jau teicām, daži no tiem ir vispārīgi šūnu, daži ir īpaši, raksturīgi īpašiem šūnu tipiem. Galvenie darba mehānismi šo funkciju veikšanai ir olbaltumvielas vai to kompleksi ar citām bioloģiskām makromolekulām, piemēram, nukleīnskābēm, lipīdiem un polisaharīdiem. Piemēram, ir zināms, ka dažādu vielu transportēšanas procesus šūnā no joniem līdz makromolekulām nosaka īpašu proteīnu vai lipoproteīnu kompleksu darbs, kas ir daļa no plazmas un citām šūnu membrānām. Gandrīz visi dažādu olbaltumvielu, nukleīnskābju, lipīdu un ogļhidrātu sintēzes, sabrukšanas un pārkārtošanās procesi notiek katrai atsevišķai reakcijai raksturīgo proteīnu-enzīmu darbības rezultātā. Atsevišķu bioloģisko monomēru, nukleotīdu, aminoskābju, taukskābju, cukuru un citu savienojumu sintēzi veic arī milzīgs skaits specifisku enzīmu - proteīnu. Kontrakciju, kas izraisa šūnu kustīgumu vai vielu un struktūru kustību šūnās, veic arī īpaši kontraktilie proteīni. Daudzas šūnu reakcijas, reaģējot uz ārējiem faktoriem (vīrusiem, hormoniem, svešiem proteīniem utt.), sākas ar šo faktoru mijiedarbību ar īpašiem šūnu receptoru proteīniem.

Olbaltumvielas ir gandrīz visu šūnu struktūru galvenās sastāvdaļas. Daudzās ķīmiskās reakcijas šūnā nosaka daudzi fermenti, no kuriem katrs veic vienu vai vairākas atsevišķas reakcijas. Katra atsevišķa proteīna struktūra ir stingri specifiska, kas izpaužas to primārās struktūras specifikā - aminoskābju secībā gar polipeptīda proteīna ķēdi. Turklāt šīs aminoskābju secības specifika nepārprotami atkārtojas visās konkrētā šūnu proteīna molekulās.

Šādu pareizību proteīna ķēdes nepārprotamas aminoskābju secības reproducēšanā nosaka tā gēna reģiona DNS struktūra, kas galu galā ir atbildīgs par konkrētā proteīna struktūru un sintēzi. Šīs idejas kalpo kā galvenais molekulārās bioloģijas postulāts, tās “dogma”. Informāciju par nākotnes proteīna molekulu uz tās sintēzes vietām (ribosomām) pārraida starpnieks - messenger RNS (mRNS), kuras nukleotīdu sastāvs atspoguļo DNS gēnu reģiona nukleotīdu sastāvu un secību. Ribosomā ir uzbūvēta polipeptīdu ķēde, kuras aminoskābju secību nosaka mRNS nukleotīdu secība, to tripletu secība. Tādējādi molekulārās bioloģijas centrālā dogma uzsver informācijas pārneses vienvirzienu: tikai no DNS uz proteīnu, izmantojot starpposma saiti - mRNS (DNS → mRNS → proteīns). Dažiem RNS saturošiem vīrusiem informācijas pārraides ķēde var sekot modelim RNS → mRNS → proteīns. Tas nemaina lietas būtību, jo noteicošā, noteicošā saite arī šeit ir nukleīnskābe. Reversie noteikšanas ceļi no proteīna uz nukleīnskābi uz DNS vai RNS nav zināmi.

Lai turpinātu ar visiem proteīnu sintēzes posmiem saistīto šūnu struktūru izpēti, īsi jāpakavējas pie galvenajiem procesiem un komponentiem, kas nosaka šo parādību.

Šobrīd, balstoties uz mūsdienu priekšstatiem par proteīnu biosintēzi, var sniegt šādu šī sarežģītā un daudzpakāpju procesa vispārīgo principu diagrammu (16. att.).

Galvenā, “komandas” loma proteīnu specifiskās struktūras noteikšanā pieder dezoksiribonukleīnskābei - DNS. DNS molekula ir ārkārtīgi gara lineāra struktūra, kas sastāv no divām savstarpēji savītām polimēru ķēdēm. Šo ķēžu veidojošie elementi – monomēri – ir četru veidu dezoksiribonukleotīdi, kuru maiņa vai secība gar ķēdi ir unikāla un specifiska katrai DNS molekulai un katrai tās sadaļai. Par dažādu proteīnu sintēzi ir atbildīgas dažādas diezgan garas DNS molekulas daļas. Tādējādi viena DNS molekula var noteikt liela skaita funkcionāli un ķīmiski atšķirīgu šūnu proteīnu sintēzi. Tikai noteikta DNS molekulas daļa ir atbildīga par katra veida proteīna sintēzi. Šādu DNS molekulas daļu, kas saistīta ar viena proteīna sintēzi šūnā, bieži sauc par "cistronu". Pašlaik cistronu jēdziens tiek uzskatīts par līdzvērtīgu gēna jēdzienam. Unikālā gēna struktūra – tā nukleotīdu specifiskais secīgais izvietojums gar ķēdi – satur visu informāciju par viena atbilstoša proteīna uzbūvi.

No vispārējās proteīnu sintēzes diagrammas ir skaidrs (skat. 16. att.), ka sākumpunkts, no kura sākas informācijas plūsma proteīnu biosintēzei šūnā, ir DNS. Līdz ar to tieši DNS satur primāro informācijas ierakstu, kas jāsaglabā un jāreproducē no šūnas uz šūnu, no paaudzes paaudzē.

Īsi pieskaroties jautājumam par to, kur tiek glabāta ģenētiskā informācija, t.i. Par DNS lokalizāciju šūnā var teikt sekojošo. Jau sen zināms, ka atšķirībā no visām citām proteīnu sintezējošā aparāta sastāvdaļām DNS ir īpaša, ļoti ierobežota lokalizācija: tās atrašanās vieta augstāko (eikariotu) organismu šūnās būs šūnas kodols. Zemākajos (prokariotiskajos) organismos, kuriem nav izveidots šūnas kodols, DNS tiek sajaukta arī no pārējās protoplazmas viena vai vairāku kompaktu nukleotīdu veidojumu veidā. Pilnībā saskaņā ar to eikariotu kodols vai prokariotu nukleoīds jau sen tiek uzskatīts par gēnu tvertni, kā unikālu šūnu organellu, kas kontrolē organismu iedzimto īpašību ieviešanu un to pārnesi paaudzēs.

Galvenais princips, kas ir DNS makromolekulārās struktūras pamatā, ir tā sauktais komplementaritātes princips (17. att.). Kā jau minēts, DNS molekula sastāv no divām savstarpēji savītām virknēm. Šīs ķēdes ir saistītas viena ar otru, mijiedarbojoties ar to pretējo nukleotīdu. Turklāt strukturālu apsvērumu dēļ šādas divpavedienu struktūras pastāvēšana ir iespējama tikai tad, ja abu ķēžu pretējie nukleotīdi ir steriski komplementāri, t.i. papildinās viens otru ar savu telpisko struktūru. Šādi komplementārie nukleotīdu pāri ir A-T pāris (adenīns-timīns) un G-C pāris (guanīns-citozīns).

Līdz ar to saskaņā ar šo komplementaritātes principu, ja vienā DNS molekulas ķēdē mums ir noteikta četru veidu nukleotīdu secība, tad otrajā ķēdē nukleotīdu secība tiks unikāli noteikta, tā ka katrs pirmās ķēdes A atbilst T otrajā ķēdē, katrs T no pirmās ķēdes - A otrajā ķēdē, katram pirmās ķēdes G - C otrajā ķēdē un katram pirmās ķēdes C - G otrajā ķēdē .

Šis strukturālais princips, kas ir DNS molekulas divpavedienu struktūras pamatā, ļauj viegli saprast oriģinālās struktūras precīzu atveidi, t.i. precīza molekulas ķēdēs ierakstītās informācijas reproducēšana noteiktas četru veidu nukleotīdu secības veidā. Patiešām, jaunu DNS molekulu sintēze šūnā notiek tikai uz esošo DNS molekulu bāzes. Šajā gadījumā abas sākotnējās DNS molekulas ķēdes sāk atšķirties vienā galā, un katrā no atdalītajām vienpavedienu sekcijām otrā ķēde sāk savākties no vidē esošajiem brīvajiem nukleotīdiem, stingri ievērojot principu. komplementaritāti. Sākotnējās DNS molekulas divu ķēžu diverģences process turpinās, un attiecīgi abas ķēdes tiek papildinātas ar komplementārām ķēdēm. Rezultātā (kā redzams 17. att.) vienas vietā parādās divas DNS molekulas, kas ir tieši identiskas oriģinālajai. Katrā iegūtajā “meitas” DNS molekulā viena virkne ir pilnībā atvasināta no sākotnējās, bet otra ir no jauna sintezēta.

Jāuzsver, ka precīzas reprodukcijas potenciālā spēja slēpjas pašas DNS divpavedienu komplementārajā struktūrā, un tās atklāšana, protams, ir viens no galvenajiem bioloģijas sasniegumiem.

Tomēr DNS reprodukcijas (reduplikācijas) problēma neaprobežojas tikai ar tās struktūras potenciālās spējas precīzi reproducēt nukleotīdu secību noteikšanu. Fakts ir tāds, ka pati DNS nemaz nav pašreplicējoša molekula. Lai veiktu sintēzes procesu - DNS reproducēšanu saskaņā ar iepriekš aprakstīto shēmu - ir nepieciešama īpaša fermentatīvā kompleksa, ko sauc par DNS polimerāzi, darbība. Tas ir šis enzīms, kas veic secīgu divu ķēžu novirzīšanās procesu no viena DNS molekulas gala uz otru, vienlaikus polimerizējoties uz tiem brīvajiem nukleotīdiem saskaņā ar komplementāro principu. Tādējādi DNS, tāpat kā matrica, tikai nosaka nukleotīdu izkārtojuma secību sintezētajās ķēdēs, un pašu procesu veic proteīns. Fermenta darbs DNS redublikācijas laikā ir viena no interesantākajām mūsdienu problēmām. Iespējams, DNS polimerāze aktīvi rāpo pa divpavedienu DNS molekulu no viena gala līdz otram, atstājot aiz sevis dakšveida, atkārtotu “asti”. Šī proteīna darbības fiziskie principi vēl nav skaidri.

Tomēr DNS un tās atsevišķās funkcionālās sadaļas, kas satur informāciju par olbaltumvielu struktūru, pašas tieši nepiedalās olbaltumvielu molekulu radīšanas procesā. Pirmais solis ceļā uz šīs DNS ķēdēs ierakstītās informācijas realizāciju ir tā sauktais transkripcijas jeb “pārrakstīšanas” process. Šajā procesā uz vienas DNS virknes, tāpat kā uz matricas, notiek ķīmiski līdzīga polimēra - ribonukleīnskābes (RNS) - sintēze. RNS molekula ir viena ķēde, kuras monomēri ir četru veidu ribonukleotīdi, kas tiek uzskatīti par nelielu DNS četru veidu dezoksiribonukleotīdu modifikāciju. Četru veidu ribonukleotīdu atrašanās vietas secība iegūtajā RNS ķēdē precīzi atkārto vienas no divām DNS ķēdēm atbilstošo dezoksiribonukleotīdu atrašanās vietas secību. Tādā veidā gēnu nukleotīdu secība tiek kopēta RNS molekulu veidā, t.i. dotā gēna struktūrā ierakstītā informācija tiek pilnībā transkribēta RNS. No katra gēna var izņemt lielu, teorētiski neierobežotu skaitu šādu “kopiju” – RNS molekulu. Šīs molekulas, kas daudzos eksemplāros pārrakstītas kā gēnu “kopijas” un līdz ar to satur tādu pašu informāciju kā gēni, izkliedējas visā šūnā. Tie jau ir tiešā saskarē ar šūnas proteīnu sintezējošajām daļiņām un “personiski” piedalās proteīna molekulu radīšanas procesos. Citiem vārdiem sakot, viņi pārvieto informāciju no vietas, kur tā tiek glabāta, uz vietām, kur tā tiek īstenota. Attiecīgi šīs RNS tiek apzīmētas kā kurjera RNS (mRNS) vai ziņojuma RNS (mRNS).

Tika konstatēts, ka mRNS ķēde tiek sintezēta tieši, izmantojot atbilstošo DNS sekciju kā šablonu. Šajā gadījumā sintezētā mRNS ķēde precīzi kopē vienu no divām DNS ķēdēm savā nukleotīdu secībā (pieņemot, ka uracils (U) RNS atbilst tā atvasinājumam timīnam (T) DNS). Tas notiek, pamatojoties uz to pašu strukturālo komplementaritātes principu, kas nosaka DNS reduplikāciju (18. att.). Izrādījās, ka mRNS sintezējot uz DNS šūnā, tikai viena DNS virkne tiek izmantota kā veidne mRNS ķēdes veidošanai. Tad katrs šīs DNS ķēdes G atbildīs C RNS ķēdē, kas tiek būvēta, katrs DNS ķēdes C atbildīs G RNS ķēdē, katrs DNS ķēdes T atbildīs A RNS ķēdē. , un katrs DNS ķēdes A atbildīs Y RNS ķēdē. Rezultātā iegūtā RNS virkne būs stingri komplementāra ar šablona DNS virkni un līdz ar to identiska nukleotīdu secībā (ņemot T = Y) otrajai DNS virknei. Tādā veidā informācija tiek “pārrakstīta” no DNS uz RNS, t.i. transkripcija. “Pārrakstītās” nukleotīdu kombinācijas RNS ķēdē jau tieši nosaka atbilstošo aminoskābju izvietojumu, ko tās kodē proteīna ķēdē.

Šeit, tāpat kā apsverot DNS reduplikāciju, ir jānorāda tā fermentatīvais raksturs kā viens no nozīmīgākajiem transkripcijas procesa aspektiem. DNS, kas šajā procesā ir matrica, pilnībā nosaka nukleotīdu atrašanās vietu sintezētajā mRNS ķēdē, visu iegūtās RNS specifiku, bet pašu procesu veic īpašs proteīns – enzīms. Šo fermentu sauc par RNS polimerāzi. Tās molekulai ir sarežģīta organizācija, kas ļauj tai aktīvi pārvietoties pa DNS molekulu, vienlaikus sintezējot RNS ķēdi, kas ir komplementāra vienai no DNS ķēdēm. DNS molekula, kas kalpo kā veidne, netiek patērēta vai mainīta, paliek sākotnējā formā un vienmēr ir gatava šādai neierobežota skaita “kopiju” - mRNS - pārrakstīšanai no tās. Šo mRNS plūsma no DNS uz ribosomām veido informācijas plūsmu, kas nodrošina šūnas proteīnu sintēzes aparāta, visa tās ribosomu komplekta programmēšanu.

Tādējādi aplūkotajā diagrammas daļā ir aprakstīta informācijas plūsma, kas nāk no DNS mRNS molekulu veidā uz intracelulārām daļiņām, kas sintezē olbaltumvielas. Tagad mēs pievēršamies cita veida plūsmai - materiāla plūsmai, no kuras jārada proteīns. Olbaltumvielu molekulas elementārās vienības - monomēri - ir aminoskābes, kuru ir aptuveni 20. Lai izveidotu (sintēzi) proteīna molekulu, šūnā esošās brīvās aminoskābes jāiesaista atbilstošā plūsmā, kas nonāk proteīnu sintezējošajā daļiņā. , un tur tie ir sakārtoti ķēdē noteiktā unikālā veidā, ko diktē ziņnesis RNS. Šī aminoskābju - olbaltumvielu celtniecības bloku - iesaistīšana tiek veikta, piesaistot brīvās aminoskābes īpašām relatīvi maza izmēra RNS molekulām. Šīm RNS, kas kalpo, lai tām pievienotu brīvās aminoskābes, lai gan tās nav informatīvas, tām ir cita - adaptera - funkcija, kuras nozīme tiks aplūkota tālāk. Aminoskābes ir pievienotas mazu pārneses RNS (tRNS) ķēžu vienam galam, viena aminoskābe katrā RNS molekulā. Katrai šādai aminoskābei šūnai ir savas specifiskas adaptera RNS molekulas, kas piesaista tikai šīs aminoskābes. Šajā formā, kas pievienota RNS, aminoskābes nonāk proteīnu sintezējošās daļiņās.

Olbaltumvielu biosintēzes procesa centrālais punkts ir šo divu intracelulāro plūsmu - informācijas plūsmas un materiāla plūsmas - saplūšana šūnas proteīnus sintezējošajās daļiņās. Šīs daļiņas sauc par ribosomām. Ribosomas ir molekulāra izmēra ultramikroskopiskas bioķīmiskas “mašīnas”, kurās no ienākošajiem aminoskābju atlikumiem tiek samontēti specifiski proteīni saskaņā ar kurjera RNS ietverto plānu. Lai gan attēlā. 19 parāda tikai vienu daļiņu; katrā šūnā ir tūkstošiem ribu. Ribosomu skaits nosaka kopējo olbaltumvielu sintēzes intensitāti šūnā. Vienas ribosomas daļiņas diametrs ir aptuveni 20 nm. Pēc savas ķīmiskās būtības ribosoma ir ribonukleoproteīns: tā sastāv no īpašas ribosomu RNS (šī mums ir trešā RNS klase, kas mums ir zināma papildus kurjera un adaptera RNS) un strukturālo ribosomu proteīnu molekulām. Kopā šī vairāku desmitu makromolekulu kombinācija veido ideāli sakārtotu un uzticamu “mašīnu”, kas spēj nolasīt mRNS ķēdē esošo informāciju un realizēt to konkrētas struktūras gatavas proteīna molekulas veidā. Tā kā procesa būtība ir tāda, ka 20 dažādu aminoskābju lineāro izkārtojumu proteīna ķēdē unikāli nosaka četru dažādu nukleotīdu atrašanās vieta ķīmiski pilnīgi atšķirīga polimēra - nukleīnskābes (mRNS) ķēdē, tad šis process notiek ribosomu parasti sauc par "tulkojumu" vai "tulkošanu" - tulkojumu, it kā no četru burtu nukleīnskābju ķēžu alfabēta uz divdesmit burtu olbaltumvielu (polipeptīdu) ķēžu alfabētu. Kā redzams, tulkošanas procesā ir iesaistītas visas trīs zināmās RNS klases: messenger RNS, kas ir tulkošanas objekts; ribosomu RNS, kas pilda proteīnu sintezējošās ribonukleoproteīna daļiņas - ribosomas - organizatora lomu; un adaptera RNS, kas veic tulkotāja funkciju.

Rīsi. 19. Funkcionējošas ribosomas shēma

Olbaltumvielu sintēzes process sākas ar aminoskābju savienojumu veidošanos ar adaptera RNS molekulām jeb tRNS. Šajā gadījumā aminoskābe vispirms tiek enerģētiski “aktivizēta” tās fermentatīvās reakcijas dēļ ar adenozīna trifosfāta (ATP) molekulu, un pēc tam “aktivētā” aminoskābe tiek savienota ar salīdzinoši īsas tRNS ķēdes galu, palielinot aktivētās aminoskābes ķīmiskā enerģija tiek uzkrāta ķīmiskās saites enerģijas veidā starp aminoskābi un tRNS.

Tajā pašā laikā tiek atrisināta arī otrā problēma. Fakts ir tāds, ka reakciju starp aminoskābi un tRNS molekulu veic ferments, kas apzīmēts kā aminoacil-tRNS sintetāze. Katrai no 20 aminoskābēm ir savi īpašie enzīmi, kas veic reakciju, iesaistot tikai šo aminoskābi. Tādējādi ir vismaz 20 enzīmi (aminoacil-tRNS sintetāze), no kuriem katrs ir specifisks vienai noteiktai aminoskābei. Katrs no šiem fermentiem var reaģēt nevis ar jebkuru tRNS molekulu, bet tikai ar tām, kuru ķēdē ir stingri noteikta nukleotīdu kombinācija. Tādējādi, tā kā pastāv tādu specifisku enzīmu kopums, kas atšķir, no vienas puses, aminoskābes raksturu un, no otras puses, tRNS nukleotīdu secību, katra no 20 aminoskābēm tiek “piešķirta”. tikai noteiktām tRNS ar noteiktu raksturīgu nukleotīdu kombināciju.

Shematiski daži olbaltumvielu biosintēzes procesa aspekti, ciktāl mēs tos attēlojam šodien, ir parādīti attēlā. 19. Šeit, pirmkārt, ir skaidrs, ka sūtņa RNS molekula ir saistīta ar ribosomu jeb, kā saka, ribosomu “ieprogrammē” ziņnesis RNS. Jebkurā brīdī tikai salīdzinoši īss mRNS ķēdes segments atrodas tieši pašā ribosomā. Bet tieši šis segments, piedaloties ribosomai, var mijiedarboties ar adaptera RNS molekulām. Šeit atkal galvenā loma ir komplementaritātes principam.

Tas ir izskaidrojums mehānismam, kāpēc stingri noteikta aminoskābe atbilst noteiktam mRNS ķēdes tripletam. Nepieciešamais starpprodukts jeb adapteris, kad katra aminoskābe “atpazīst” savu tripletu uz mRNS, ir adaptera RNS (tRNS).

Attēlā 19. attēlā redzams, ka ribosomā papildus tRNS molekulai ar suspendētu aminoskābi ir vēl viena tRNS molekula. Bet, atšķirībā no iepriekš apspriestās tRNS molekulas, šī tRNS molekula savā galā ir pievienota proteīna (polipeptīda) ķēdes galam, kas atrodas sintēzes procesā. Šī situācija atspoguļo notikumu dinamiku, kas notiek ribosomā proteīna molekulas sintēzes laikā. Šo dinamiku var iedomāties šādi. Sāksim ar noteiktu starpbrīdi, kas atspoguļots attēlā. 19, un to raksturo proteīna ķēdes klātbūtne, kas jau ir sākusi veidot, tai pievienota tRNS, kas tikko iekļuvusi ribosomā un saistīta ar jaunas tRNS molekulas tripletu ar tai atbilstošo aminoskābi. Acīmredzot pats tRNS molekulas pievienošanas akts mRNS tripletam, kas atrodas noteiktā vietā uz ribosomas, noved pie tādas savstarpējas orientācijas un cieša kontakta starp aminoskābju atlikumu un konstruējamo proteīna ķēdi, ka starp tām rodas kovalentā saite. Savienojums notiek tā, ka būvējamās proteīna ķēdes gals (19. att. pievienots tRNS) no šīs tRNS tiek pārnests uz ienākošās aminoacil-tRNS aminoskābju atlikumu. Rezultātā “pareizā” tRNS, spēlējot “donora” lomu, būs brīva, un olbaltumvielu ķēde tiks pārnesta uz “akceptoru”, t.i. uz “kreiso” (ienākošo) aminoacil-tRNS. Rezultātā proteīna ķēde tiks pagarināta par vienu aminoskābi un pievienota “kreisajai” tRNS. Pēc tam “kreisā” tRNS kopā ar ar to saistīto mRNS nukleotīdu tripletu tiek pārnesta uz labo pusi, pēc tam iepriekšējā “donora” tRNS molekula tiks izspiesta no šejienes un atstās ribosomas. Tās vietā parādīsies jauna tRNS ar proteīna ķēdi, kas tiek būvēta, pagarināta par vienu aminoskābes atlikumu, un mRNS ķēde tiks virzīta attiecībā pret ribosomu par vienu tripletu pa labi. MRNS ķēdes pārvietošanās rezultātā par vienu tripletu pa labi, ribosomā parādīsies nākamais brīvais triplets (UUU), un tai uzreiz pievienosies atbilstošā tRNS ar aminoskābi (fenilalanil-tRNS). principu. Tas atkal izraisīs kovalentās (peptīdu) saites veidošanos starp veidojamo proteīna ķēdi un fenilalanīna atlikumu, un pēc tam mRNS ķēdes pārvietošanos par vienu tripletu pa labi ar visām no tā izrietošajām sekām utt. Tādā veidā kurjer-RNS ķēde tiek secīgi, tripleta pēc tripleta izvilkta cauri ribosomai, kā rezultātā mRNS ķēdi “nolasa” ribosoma kopumā, no sākuma līdz beigām. Tajā pašā laikā un saistībā ar to notiek secīga, aminoskābe pa aminoskābei, olbaltumvielu ķēdes augšana. Attiecīgi tRNS molekulas ar aminoskābēm viena pēc otras nonāk ribosomā, un tRNS molekulas bez aminoskābēm iziet. Atrodoties šķīdumā ārpus ribosomas, brīvās tRNS molekulas atkal savienojas ar aminoskābēm un atkal pārnes tās ribosomā, tādējādi pārvietojoties bez iznīcināšanas vai izmaiņām.

Lekcija Nr.

Stundu skaits: 2

Centrālā molekulārās bioloģijas dogma

1) Transkripcija

2) Raidījums

50. gadu sākumā F. Kriks formulēja galveno molekulārās bioloģijas dogmu. Saskaņā ar šo koncepciju ģenētiskā informācija no DNS uz olbaltumvielām tiek pārraidīta caur RNS saskaņā ar šādu shēmu: DNS – RNS – proteīns.

Pirmais biosintēzes posms notiek kodolā un tiek saukts transkripcijas (pārrakstīšana).

Transkripcija- RNS molekulu biosintēze uz DNS matricas. Šo procesu katalizē enzīms RNS polimerāze. Ferments atpazīst sākuma zīmitranskripcijas - veicinātājs- un pievienojas viņam. Promotors ir orientēts tā, lai RNS polimerāze šķērso noteiktu ģenētisko reģionu noteiktā virzienā. Enzīms atritina DNS dubulto spirāli un kopē, sākot no promotora, vienu no tās ķēdēm. RNS polimerāzei pārvietojoties, augošā RNS virkne attālinās no veidnes un tiek atjaunota DNS dubultspirāle aiz enzīma. Transkripcijas procesā tiek sintezēts pro-m-RNS - nobriedušas m-RNS prekursors, kas iesaistīts translācijā. Pro-m-RNS ir liela izmēra un satur fragmentus, kas nekodē polipeptīdu ķēdes sintēzi. Šos fragmentus sauc introni, tiek saukti kodēšanas fragmenti eksoni. Tiek saukts intronu izgriešanas un eksonu savienošanas process stingrā secībā savienošana. Sapludināšanas procesā veidojas nobriedusi m-RNS.M-RNS transportēšana no kodola uz citoplazmu notiek caur kodola porām. Nobriedušas eikariotu mRNS parasti kodē tikai vienu polipeptīdu ķēdi.

Nākamais biosintēzes posms notiek citoplazmā uz ribosomām, un to sauc par translāciju.

Raidījums- proteīnu polipeptīdu ķēžu sintēze uz m-RNS matricas saskaņā ar ģenētisko kodu. Tulkošanas procesā informācija par proteīna struktūru no m-RNS nukleotīdu koda tiek pārtulkota noteiktā aminoskābju secībā sintezētajos proteīnos. Olbaltumvielu biosintēzi veic sarežģīts makromolekulārs komplekss. Aminoskābes ribosomās piegādā tRNS. Olbaltumvielu sintēzes laikā m-RNS ir daļa no poliribosomas (uz tās vienlaikus tiek sintezētas no vairākām līdz 100 ribosomām).

Tādējādi transkripcija un tulkošana ir telpiski atdalītas. Transkripcija notiek kodolā, un translācija notiek citoplazmā.

Šūnai kā tādai ir milzīgs skaits dažādu funkciju, kā mēs jau teicām, dažas no tām ir vispārīgas šūnas, dažas ir īpašas, raksturīgas īpašiem šūnu tipiem. Galvenie darba mehānismi šo funkciju veikšanai ir olbaltumvielas vai to kompleksi ar citām bioloģiskām makromolekulām, piemēram, nukleīnskābēm, lipīdiem un polisaharīdiem. Tādējādi ir zināms, ka dažādu vielu transportēšanas procesus šūnā no joniem līdz makromolekulām nosaka īpašu proteīnu jeb lipoproteīnu kompleksu darbs plazmā un citās šūnu membrānās. Gandrīz visi dažādu olbaltumvielu, nukleīnskābju, lipīdu un ogļhidrātu sintēzes, sadalīšanās un pārkārtošanās procesi notiek katrai atsevišķai reakcijai raksturīgo proteīnu-enzīmu darbības rezultātā. Atsevišķu bioloģisko monomēru, nukleotīdu, aminoskābju, taukskābju, cukuru uc sintēzi veic arī milzīgs skaits specifisku enzīmu - proteīnu. Kontrakciju, kas izraisa šūnu kustīgumu vai vielu un struktūru kustību šūnās, veic arī īpaši kontraktilie proteīni. Daudzas šūnu reakcijas, reaģējot uz ārējiem faktoriem (vīrusiem, hormoniem, svešiem proteīniem utt.), sākas ar šo faktoru mijiedarbību ar īpašiem šūnu receptoru proteīniem.

Šādu pareizību proteīna ķēdes nepārprotamas aminoskābju secības reproducēšanā nosaka tā gēna reģiona DNS struktūra, kas galu galā ir atbildīgs par konkrētā proteīna struktūru un sintēzi. Šīs idejas kalpo kā galvenais molekulārās bioloģijas postulāts, tās “dogma”. Informāciju par nākotnes proteīna molekulu uz tās sintēzes vietām (ribosomām) pārraida starpnieks - messenger RNS (mRNS), kuras nukleotīdu sastāvs atspoguļo DNS gēnu reģiona nukleotīdu sastāvu un secību. Ribosomā ir uzbūvēta polipeptīdu ķēde, kuras aminoskābju secību nosaka mRNS nukleotīdu secība, to tripletu secība. Tādējādi molekulārās bioloģijas centrālā dogma uzsver informācijas pārneses vienvirzienu: tikai no DNS uz proteīnu, ar starpprodukta, mRNS (DNS) palīdzību.® mRNS ® olbaltumvielas). Dažiem RNS saturošiem vīrusiem informācijas pārraides ķēde var sekot RNS – mRNS – proteīna shēmai. Tas nemaina lietas būtību, jo noteicošā, noteicošā saite arī šeit ir nukleīnskābe. Reversie noteikšanas ceļi no proteīna uz nukleīnskābi uz DNS vai RNS nav zināmi.

Lai turpinātu ar visiem proteīnu sintēzes posmiem saistīto šūnu struktūru izpēti, īsi jāpakavējas pie galvenajiem procesiem un komponentiem, kas nosaka šo parādību.

Šobrīd, balstoties uz mūsdienu priekšstatiem par proteīnu biosintēzi, var sniegt šādu šī sarežģītā un daudzpakāpju procesa vispārīgo principu diagrammu (16. att.).

Galvenā, “komandas” loma proteīnu specifiskās struktūras noteikšanā pieder dezoksiribonukleīnskābei – DNS. DNS molekula ir ārkārtīgi gara lineāra struktūra, kas sastāv no divām savstarpēji savītām polimēru ķēdēm. Šo ķēžu veidojošie elementi – monomēri – ir četru veidu dezoksiribonukleotīdi, kuru maiņa vai secība gar ķēdi ir unikāla un specifiska katrai DNS molekulai un katrai tās sadaļai. Par dažādu proteīnu sintēzi ir atbildīgas dažādas diezgan garas DNS molekulas daļas. Tādējādi viena DNS molekula var noteikt liela skaita funkcionāli un ķīmiski atšķirīgu šūnu proteīnu sintēzi. Tikai noteikta DNS molekulas daļa ir atbildīga par katra veida proteīna sintēzi. Šādu DNS molekulas daļu, kas saistīta ar viena konkrēta proteīna sintēzi šūnā, bieži sauc par "cistronu". Pašlaik cistronu jēdziens tiek uzskatīts par līdzvērtīgu gēna jēdzienam. Gēna unikālā struktūra — tā nukleotīdu specifiskais secīgs izvietojums gar ķēdi — satur visu informāciju par viena atbilstoša proteīna struktūru.

DNS makromolekulārās struktūras pamatprincips ir tā sauktais komplementaritātes princips (17. att.). Kā jau minēts, DNS molekula sastāv no divām savstarpēji savītām virknēm. Šīs ķēdes ir saistītas viena ar otru, mijiedarbojoties ar to pretējo nukleotīdu. Turklāt strukturālu apsvērumu dēļ šādas divpavedienu struktūras pastāvēšana ir iespējama tikai tad, ja abu ķēžu pretējie nukleotīdi ir steriski komplementāri, t.i. papildinās viens otru ar savu telpisko struktūru. Šādi komplementārie nukleotīdu pāri ir A-T pāris (adenīns-timīns) un G-C pāris (guanīns-citozīns).

Līdz ar to saskaņā ar šo komplementaritātes principu, ja vienā DNS molekulas ķēdē mums ir noteikta četru veidu nukleotīdu secība, tad otrajā ķēdē nukleotīdu secība tiks unikāli noteikta, tā ka katrs pirmās ķēdes A atbildīs T otrajā ķēdē, katrs T no pirmās ķēdes atbildīs A otrajā ķēdē, katram G no pirmās ķēdes - C otrajā ķēdē un katram pirmās ķēdes C - G in otrā ķēde.

Var redzēt, ka norādītais strukturālais princips, kas ir DNS molekulas divpavedienu struktūras pamatā, ļauj viegli saprast oriģinālās struktūras precīzu atveidi, t.i. precīza molekulas ķēdēs ierakstītās informācijas reproducēšana noteiktas 4 veidu nukleotīdu secības veidā. Patiešām, jaunu DNS molekulu sintēze šūnā notiek tikai uz esošo DNS molekulu bāzes. Šajā gadījumā abas sākotnējās DNS molekulas ķēdes sāk atšķirties vienā galā, un katrā no atdalītajām vienpavedienu sekcijām otrā ķēde sāk savākties no vidē esošajiem brīvajiem nukleotīdiem, stingri ievērojot principu. komplementaritāti. Sākotnējās DNS molekulas divu ķēžu diverģences process turpinās, un attiecīgi abas ķēdes tiek papildinātas ar komplementārām ķēdēm. Rezultātā, kā redzams diagrammā, vienas vietā parādās divas DNS molekulas, kas ir tieši identiskas oriģinālajai. Katrā iegūtajā “meitas” DNS molekulā viena virkne, šķiet, ir pilnībā atvasināta no sākotnējās, bet otra ir tikko sintezēta.

Galvenais, kas vēlreiz jāuzsver, ir tas, ka iespējamā precīzas reprodukcijas spēja ir raksturīga pašas DNS divpavedienu komplementārajai struktūrai, un tās atklāšana, protams, ir viens no galvenajiem bioloģijas sasniegumiem.

Tomēr DNS reprodukcijas (reduplikācijas) problēma neaprobežojas tikai ar tās struktūras potenciālās spējas precīzi reproducēt nukleotīdu secību noteikšanu. Fakts ir tāds, ka pati DNS nemaz nav pašreplicējoša molekula. Lai veiktu DNS sintēzes un reprodukcijas procesu saskaņā ar iepriekš aprakstīto shēmu, ir nepieciešama īpaša fermentatīvā kompleksa, ko sauc par DNS polimerāzi, darbība. Acīmredzot tieši šis enzīms veic secīgu divu ķēžu atdalīšanas procesu no viena DNS molekulas gala uz otru ar vienlaicīgu brīvo nukleotīdu polimerizāciju uz tām saskaņā ar komplementāro principu. Tādējādi DNS, tāpat kā matrica, tikai nosaka nukleotīdu izkārtojuma secību sintezētajās ķēdēs, un pašu procesu veic proteīns. Fermenta darbs DNS redublikācijas laikā ir viena no interesantākajām mūsdienu problēmām. Acīmredzot DNS polimerāze aktīvi rāpo pa divpavedienu DNS molekulu no viena gala līdz otram, atstājot aiz sevis dakšveida, atkārtotu "asti". Šī proteīna darbības fiziskie principi vēl nav skaidri.

Tomēr DNS un tās atsevišķās funkcionālās sadaļas, kas satur informāciju par olbaltumvielu struktūru, pašas tieši nepiedalās olbaltumvielu molekulu radīšanas procesā. Pirmais solis ceļā uz šīs DNS ķēdēs ierakstītās informācijas realizāciju ir tā sauktais transkripcijas jeb “pārrakstīšanas” process. Šajā procesā ķīmiski radniecīga polimēra, ribonukleīnskābes (RNS) sintēze notiek DNS ķēdē, tāpat kā uz matricas. RNS molekula ir viena ķēde, kuras monomēri ir četru veidu ribonukleotīdi, kas tiek uzskatīti par nelielu DNS četru veidu dezoksiribonukleotīdu modifikāciju. Četru veidu ribonukleotīdu atrašanās vietas secība iegūtajā RNS ķēdē precīzi atkārto vienas no divām DNS ķēdēm atbilstošo dezoksiribonukleotīdu atrašanās vietas secību. Tādā veidā gēnu nukleotīdu secība tiek kopēta RNS molekulu veidā, t.i. dotā gēna struktūrā ierakstītā informācija tiek pilnībā transkribēta RNS. No katra gēna var izņemt lielu, teorētiski neierobežotu skaitu šādu “kopiju” – RNS molekulu. Šīs molekulas, kas daudzos eksemplāros pārrakstītas kā gēnu “kopijas” un tādējādi satur tādu pašu informāciju kā gēni, izkliedējas visā šūnā. Tie jau ir tiešā saskarē ar šūnas proteīnu sintezējošajām daļiņām un “personiski” piedalās proteīna molekulu radīšanas procesos. Citiem vārdiem sakot, viņi pārvieto informāciju no vietas, kur tā tiek glabāta, uz vietām, kur tā tiek īstenota. Attiecīgi šīs RNS tiek sauktas par kurjeru vai ziņojuma RNS, saīsināti kā mRNS (vai mRNS).

Tika konstatēts, ka ziņojuma RNS ķēde tiek sintezēta tieši, izmantojot atbilstošo DNS sekciju kā veidni. Šajā gadījumā sintezētā mRNS ķēde precīzi kopē vienu no divām DNS ķēdēm savā nukleotīdu secībā (pieņemot, ka uracils (U) RNS atbilst tā atvasinājumam timīnam (T) DNS). Tas notiek, pamatojoties uz to pašu strukturālo komplementaritātes principu, kas nosaka DNS reduplikāciju (18. att.). Izrādījās, ka mRNS sintezējot uz DNS šūnā, tikai viena DNS virkne tiek izmantota kā veidne mRNS ķēdes veidošanai. Tad katrs šīs DNS ķēdes G atbildīs C RNS ķēdē, kas tiek būvēta, katrs DNS ķēdes C atbildīs G RNS ķēdē, katrs DNS ķēdes T atbildīs A RNS ķēdē. , un katrs DNS ķēdes A atbildīs Y RNS ķēdē. Rezultātā iegūtā RNS virkne būs stingri komplementāra ar šablona DNS virkni un līdz ar to identiska nukleotīdu secībā (ņemot T = Y) otrajai DNS virknei. Tādā veidā informācija tiek “pārrakstīta” no DNS uz RNS, t.i. transkripcija. “Pārrakstītās” nukleotīdu kombinācijas RNS ķēdē jau tieši nosaka atbilstošo aminoskābju izvietojumu, ko tās kodē proteīna ķēdē.

Tādējādi aplūkotajā diagrammas daļā ir aprakstīta informācijas plūsma, kas nāk no DNS mRNS molekulu veidā uz intracelulārām daļiņām, kas sintezē olbaltumvielas. Tagad mēs pievēršamies cita veida plūsmai - materiāla plūsmai, no kuras jārada proteīns. Olbaltumvielu molekulas elementārās vienības - monomēri - ir aminoskābes, no kurām ir 20 dažādas šķirnes. Lai izveidotu (sintezētu) proteīna molekulu, šūnā esošās brīvās aminoskābes ir jāiesaista atbilstošā plūsmā, kas nonāk proteīnu sintezējošajā daļiņā, un tur tās noteiktā unikālā veidā tiek sakārtotas ķēdē, ko diktē ziņnesis RNS. Šī aminoskābju iesaistīšana - proteīnu veidošanas bloki - tiek veikta, pievienojot brīvās aminoskābes īpašām relatīvi maza izmēra RNS molekulām. Šīs RNS, kas kalpo, lai tām pievienotu brīvās aminoskābes, nebūs informatīvas, bet tām būs cita adaptera funkcija, kuras nozīme tiks aplūkota tālāk. Aminoskābes ir pievienotas mazu pārneses RNS (tRNS) ķēžu vienam galam, viena aminoskābe katrā RNS molekulā.

Katram aminoskābju veidam šūnā ir īpašas adaptera RNS molekulas, kas piesaista tikai šāda veida aminoskābes. Šajā formā, apmeklējot RNS, aminoskābes iekļūst proteīnu sintezējošās daļiņās.

Olbaltumvielu biosintēzes procesa centrālais punkts ir šo divu intracelulāro plūsmu - informācijas plūsmas un materiāla plūsmas - saplūšana šūnas proteīnus sintezējošajās daļiņās. Šīs daļiņas sauc par ribosomām. Ribosomas ir molekulāra izmēra ultramikroskopiskas bioķīmiskas “mašīnas”, kurās no ienākošajiem aminoskābju atlikumiem tiek samontēti specifiski proteīni saskaņā ar kurjera RNS ietverto plānu. Lai gan šī diagramma (19. att.) parāda tikai vienu daļiņu, katra šūna satur tūkstošiem ribsomu. Ribosomu skaits nosaka kopējo olbaltumvielu sintēzes intensitāti šūnā. Vienas ribosomas daļiņas diametrs ir aptuveni 20 nm. Pēc savas ķīmiskās būtības ribosoma ir ribonukleoproteīns: tā sastāv no īpašas ribosomu RNS (šī mums ir trešā RNS klase, kas mums ir zināma papildus kurjera un adaptera RNS) un strukturālo ribosomu proteīnu molekulām. Kopā šī vairāku desmitu makromolekulu kombinācija veido ideāli sakārtotu un uzticamu “mašīnu”, kas spēj nolasīt mRNS ķēdē esošo informāciju un realizēt to konkrētas struktūras gatavas proteīna molekulas veidā. Tā kā procesa būtība ir tāda, ka 20 veidu aminoskābju lineāro izkārtojumu proteīna ķēdē unikāli nosaka četru veidu nukleotīdu izvietojums ķīmiski pilnīgi atšķirīga polimēra - nukleīnskābes (mRNS) ķēdē, šis process. Kas notiek ribosomā, parasti tiek saukta par "tulkošanu" vai "tulkošanu" - tulkojumu, it kā no nukleīnskābju ķēžu 4 burtu alfabēta uz 20 burtu olbaltumvielu (polipeptīdu) ķēžu alfabētu. Kā redzams, tulkošanas procesā ir iesaistītas visas trīs zināmās RNS klases: ziņojuma RNS, kas ir translācijas objekts, ribosomu RNS, kas pilda proteīnu sintezējošās ribonukleoproteīna daļiņas - ribosomas - organizatora lomu, un adaptera RNS. , kas pilda tulka funkciju.

Bet tajā pašā laikā tiek risināts arī otrs uzdevums. Fakts ir tāds, ka reakciju starp aminoskābi un tRNS molekulu veic ferments, kas apzīmēts kā aminoacil-tRNS sintetāze. Katram no 20 aminoskābju veidiem ir īpaši fermenti, kas veic reakciju, iesaistot tikai šo aminoskābi. Tādējādi ir vismaz 20 enzīmi (aminoacil-tRNS sintetāze), no kuriem katrs ir specifisks viena veida aminoskābēm. Katrs no šiem fermentiem var reaģēt nevis ar jebkuru tRNS molekulu, bet tikai ar tām, kuru ķēdē ir stingri noteikta nukleotīdu kombinācija. Tādējādi, tā kā pastāv tādu specifisku enzīmu kopums, kas atšķir, no vienas puses, aminoskābes raksturu un, no otras puses, tRNS nukleotīdu secību, katrs no 20 aminoskābju veidiem izrādās. “piešķirt” tikai noteiktai tRNS ar noteiktu raksturīgu nukleotīdu kombināciju.

Shematiski daži olbaltumvielu biosintēzes procesa aspekti, ciktāl mēs tos attēlojam šodien, ir parādīti attēlā. 19.

Šeit, pirmkārt, ir skaidrs, ka kurjer-RNS molekula ir saistīta ar ribosomu jeb, kā saka, ribosomu “ieprogrammē” ziņojuma RNS. Jebkurā brīdī tikai salīdzinoši īss mRNS ķēdes segments atrodas tieši pašā ribosomā. Bet tieši šis segments, piedaloties ribosomai, var mijiedarboties ar adaptera RNS molekulām. Un šeit atkal galvenā loma ir komplementaritātes principam, kas jau divreiz apspriests iepriekš.

Tas ir izskaidrojums mehānismam, kāpēc stingri noteikta aminoskābe atbilst noteiktam mRNS ķēdes tripletam. Var redzēt, ka nepieciešamā starpsaite jeb adapteris, kad katra aminoskābe “atpazīst” savu tripletu uz mRNS, ir adaptera RNS (tRNS).

Tālāk diagrammā (sk. 19. att.) ir skaidrs, ka ribosomā papildus tikko apspriestajai tRNS molekulai ar pievienoto aminoskābi ir vēl viena tRNS molekula. Bet, atšķirībā no iepriekš apspriestās tRNS molekulas, šī tRNS molekula savā galā ir pievienota proteīna (polipeptīda) ķēdes galam, kas atrodas sintēzes procesā. Šī situācija atspoguļo notikumu dinamiku, kas notiek ribosomā proteīna molekulas sintēzes laikā. Šo dinamiku var iedomāties šādi. Sāksim ar noteiktu starpmomentu, kas atspoguļots diagrammā un ko raksturo proteīna ķēdes klātbūtne, kas jau ir sākusi veidot, tai pievienota tRNS un kas tikko iekļuvusi ribosomā un kontaktējusies ar jaunas tRNS molekulas tripletu ar tai atbilstošā aminoskābe. Acīmredzot pats tRNS molekulas pievienošanas akts mRNS tripletam, kas atrodas noteiktā vietā uz ribosomas, noved pie tādas savstarpējas orientācijas un cieša kontakta starp aminoskābju atlikumu un konstruējamo proteīna ķēdi, ka starp tām rodas kovalentā saite. Savienojums notiek tā, ka konstruējamās olbaltumvielu ķēdes gals, kas diagrammā pievienots tRNS, tiek pārnests no šīs tRNS uz ienākošās aminoacil-tRNS aminoskābju atlikumu. Rezultātā “labā” tRNS, spēlējot “donora” lomu, būs brīva, un proteīna ķēde tiks pārnesta uz “akceptoru” - “kreiso” (pienākušo) aminoacil-tRNS, rezultātā proteīna ķēde tiks pagarināta par vienu aminoskābi un pievienota “kreisajai” » tRNS. Pēc tam “kreisā” tRNS kopā ar ar to saistīto mRNS nukleotīdu tripletu tiek pārvietota “pa labi”, tad no šejienes tiks izspiesta iepriekšējā “donora” tRNS molekula un tās vietā atstās ribosomas. parādīsies jauna tRNS ar proteīna ķēdi, kas tiek būvēta, pagarināta par vienu aminoskābes atlikumu, un mRNS ķēde tiks virzīta par vienu tripletu pa labi attiecībā pret ribosomu. MRNS ķēdes pārvietošanās rezultātā par vienu tripletu pa labi, ribosomā parādīsies nākamais brīvais triplets (UUU), un tai uzreiz pievienosies atbilstošā tRNS ar aminoskābi (fenilalanil-tRNS). principu. Tas atkal izraisīs kovalentās (peptīdu) saites veidošanos starp veidojamo proteīna ķēdi un fenilalanīna atlikumu, un pēc tam mRNS ķēdes pārvietošanos par vienu tripletu pa labi ar visām no tā izrietošajām sekām utt. Tādā veidā kurjer-RNS ķēde tiek secīgi, tripleta pēc tripleta izvilkta cauri ribosomai, kā rezultātā mRNS ķēdi “nolasa” ribosoma kopumā, no sākuma līdz beigām. Tajā pašā laikā un saistībā ar to notiek secīga, aminoskābe pa aminoskābei, olbaltumvielu ķēdes augšana. Attiecīgi tRNS molekulas ar aminoskābēm viena pēc otras nonāk ribosomā, un tRNS molekulas bez aminoskābēm iziet. Atrodoties šķīdumā ārpus ribosomas, brīvās tRNS molekulas atkal savienojas ar aminoskābēm un atkal pārnes tās ribosomā, tādējādi pārvietojoties bez iznīcināšanas vai izmaiņām.

MobilaisCORE

1. Starpfāzu kodola vispārīgie raksturojumi. Kodola funkcijas

1. Starpfāzu kodola vispārīgie raksturojumi

Kodols ir vissvarīgākā šūnas sastāvdaļa, kas atrodas gandrīz visās daudzšūnu organismu šūnās. Lielākajai daļai šūnu ir viens kodols, bet ir divkodolu un daudzkodolu šūnas (piemēram, šķērssvītrotas muskuļu šķiedras). Bnuklearitāti un daudzkodolu nosaka šūnu funkcionālās īpašības vai patoloģiskais stāvoklis. Kodola forma un izmēri ir ļoti mainīgi un ir atkarīgi no organisma veida, tipa, vecuma un šūnas funkcionālā stāvokļa. Vidēji kodola tilpums ir aptuveni 10% no kopējā šūnas tilpuma. Visbiežāk serdenim ir apaļa vai ovāla forma, kuras diametrs ir no 3 līdz 10 mikroniem. Kodola minimālais izmērs ir 1 mikrons (dažiem vienšūņiem), maksimālais ir 1 mm (dažu zivju un abinieku ikri). Dažos gadījumos pastāv kodola formas atkarība no šūnas formas. Kodols parasti ieņem centrālo stāvokli, bet diferencētās šūnās to var pārvietot uz šūnas perifēro daļu. Gandrīz visa eikariotu šūnas DNS ir koncentrēta kodolā.

Kodola galvenās funkcijas ir:

1) Ģenētiskās informācijas uzglabāšana un nodošana;

2) Olbaltumvielu sintēzes, vielmaiņas un enerģijas regulēšana šūnā.

Tādējādi kodols ir ne tikai ģenētiskā materiāla krātuve, bet arī vieta, kur šis materiāls funkcionē un vairojas. Tāpēc jebkuras no šīm funkcijām pārtraukšana izraisīs šūnu nāvi. Tas viss norāda uz kodolstruktūru vadošo nozīmi nukleīnskābju un olbaltumvielu sintēzes procesos.

Viens no pirmajiem zinātniekiem, kurš demonstrēja kodola lomu šūnas dzīvē, bija vācu biologs Hamerlings. Hamerlings kā eksperimentālu objektu izmantoja lielas vienšūnas aļģes AcetobulārijaMediterranea un A.crenulata. Šīs cieši radniecīgās sugas viena no otras skaidri atšķiras pēc to "vāciņa" formas. Kātiņa pamatnē atrodas kodols. Dažos eksperimentos vāciņš tika atdalīts no stublāja apakšējās daļas. Rezultātā tika konstatēts, ka normālai vāciņa attīstībai ir nepieciešams kodols. Citos eksperimentos kāts ar kodolu no vienas aļģu sugas tika savienots ar citas sugas kātiņu bez kodola. Iegūtās himeras vienmēr izveidoja tai sugai raksturīgu vāciņu, kurai piederēja kodols.

Starpfāzu kodola vispārējā struktūra visās šūnās ir vienāda. Kodols sastāv no kodola apvalks, hromatīns, nukleoli, kodolproteīna matrica un karioplazma (nukleoplazma).Šie komponenti ir atrodami gandrīz visās nedalāmās eikariotu vienšūnu un daudzšūnu organismu šūnās.

2. Kodola apvalks, struktūra un funkcionālā nozīme

Kodola apvalks (kariolemma, karioteka) sastāv no ārējās un iekšējās kodolmembrānas 7 nm biezumā. Starp tiem atrodas perinukleārā telpa platums no 20 līdz 40 nm. Kodola apvalka galvenās ķīmiskās sastāvdaļas ir lipīdi (13-35%) un olbaltumvielas (50-75%). Nelieli daudzumi DNS (0-8%) un RNS (3-9%) atrodami arī kodola membrānās. Kodolmembrānas raksturo salīdzinoši zems holesterīna saturs un augsts fosfolipīdu saturs. Kodola apvalks ir tieši saistīts ar endoplazmatisko tīklu un kodola saturu. Tam abās pusēs blakus ir tīklam līdzīgas struktūras. Tīkla veida struktūrai, kas klāj iekšējo kodola membrānu, ir plānas membrānas izskats, un to sauc kodola lamina. Kodola slānis atbalsta membrānu un saskaras ar hromosomām un kodola RNS. Tīklam līdzīgā struktūra, kas ieskauj ārējo kodolmembrānu, ir daudz mazāk kompakta. Ārējā kodola membrāna ir pārklāta ar ribosomām, kas iesaistītas olbaltumvielu sintēzē. Kodola apvalks satur daudzas poras ar diametru aptuveni 30-100 nm. Kodolporu skaits ir atkarīgs no šūnas veida, šūnu cikla stadijas un konkrētās hormonālās situācijas. Tātad, jo intensīvāki sintētiskie procesi šūnā, jo vairāk poru ir kodola membrānā. Kodolporas ir diezgan labilas struktūras, t.i., atkarībā no ārējām ietekmēm, tās spēj mainīt savu rādiusu un vadītspēju. Poru atvere ir piepildīta ar sarežģīti organizētām lodveida un fibrilārām struktūrām. Membrānas perforāciju un šo struktūru kolekciju sauc par kodolporu kompleksu. Kompleksajam poru kompleksam ir astoņstūra simetrija. Gar kodola apvalka apaļā cauruma robežu ir trīs granulu rindas, katrā pa 8 gabaliņiem: vienā rindā ir līdzeklis kodola puses konceptuālo modeļu konstruēšanai, otrā ir līdzeklis citoplazmas puses konceptuālo modeļu konstruēšanai. , trešais atrodas poru centrālajā daļā. Granulu izmērs ir aptuveni 25 nm. Fibrillāri procesi stiepjas no granulām. Šādas fibrillas, kas stiepjas no perifērām granulām, var saplūst centrā un izveidot it kā starpsienu, diafragmu pāri porām. Cauruma centrā bieži var redzēt tā saukto centrālo granulu.

Kodolcitoplazmas transports

Substrāta pārvietošanas process caur kodola porām (importa gadījumā) sastāv no vairākiem posmiem. Pirmajā posmā transportēšanas komplekss tiek noenkurots uz fibrila, kas vērsta pret citoplazmu. Pēc tam fibrila saliecas un pārvieto kompleksu uz ieeju kodola poru kanālā. Notiek faktiskā kompleksa pārvietošana un izdalīšanās karioplazmā. Ir zināms arī apgrieztais process - vielu pārnešana no kodola uz citoplazmu. Tas galvenokārt attiecas uz RNS transportēšanu, kas sintezēta tikai kodolā. Ir arī cits veids, kā transportēt vielas no kodola uz citoplazmu. Tas ir saistīts ar kodola membrānas izaugumu veidošanos, ko var atdalīt no kodola vakuolu veidā, un pēc tam to saturs tiek izliets vai izdalīts citoplazmā.

Tādējādi vielu apmaiņa starp kodolu un citoplazmu notiek divos galvenajos veidos: caur porām un ar šņorēšanu.

Kodolmembrānas funkcijas:

1. Barjera.Šī funkcija ir atdalīt kodola saturu no citoplazmas. Rezultātā RNS/DNS sintēzes un olbaltumvielu sintēzes procesi kļūst telpiski atdalīti.

2. Transports.Kodola apvalks aktīvi regulē makromolekulu transportu starp kodolu un citoplazmu.

3. Organizēšana.Viena no galvenajām kodola apvalka funkcijām ir tās līdzdalība intranukleārās kārtības veidošanā.

3. Hromatīna un hromosomu uzbūve un funkcijas

Iedzimtais materiāls šūnas kodolā var atrasties divos strukturālos un funkcionālos stāvokļos:

1. Hromatīns.Tas ir dekondensēts, metaboliski aktīvs stāvoklis, kas paredzēts transkripcijas un reduplikācijas procesu atbalstam starpfāzēs.

2. Hromosomas.Tas ir maksimāli kondensēts, kompakts, metaboliski neaktīvs stāvoklis, kas paredzēts ģenētiskā materiāla izplatīšanai un transportēšanai uz meitas šūnām.

Hromatīns.Šūnu kodolā tiek identificētas blīvas vielas zonas, kas ir labi iekrāsotas ar pamata krāsvielām. Šīs struktūras sauc par "hromatīnu" (no grieķu "chromo"– krāsa, krāsa). Starpfāzu kodolu hromatīns attēlo hromosomas, kas atrodas dekondensētā stāvoklī. Hromosomu dekondensācijas pakāpe var atšķirties. Tiek sauktas pilnīgas dekondensācijas zonas eihromatīns. Ar nepilnīgu dekondensāciju tiek saukti kondensētā hromatīna apgabali heterohromatīns. Hromatīna dekondensācijas pakāpe starpfāzē atspoguļo šīs struktūras funkcionālo slodzi. Jo “izkliedētāk” hromatīns ir sadalīts starpfāzu kodolā, jo intensīvāki tajā notiek sintētiskie procesi. SamazinātRNS sintēzi šūnās parasti pavada kondensētā hromatīna zonu palielināšanās.Maksimālā kondensētā hromatīna kondensācija tiek sasniegta mitotiskās šūnu dalīšanās laikā. Šajā periodā hromosomas neveic nekādas sintētiskas funkcijas.

Ķīmiski hromatīns sastāv no DNS (30-45%), histoniem (30-50%), nehistona proteīniem (4-33%) un neliela daudzuma RNS.Eikariotu hromosomu DNS ir lineāras molekulas, kas sastāv no dažāda izmēra replikoniem, kas sakārtoti tandēmā (viens pēc otra). Vidējais replikona izmērs ir aptuveni 30 mikroni. Replikoni ir DNS sadaļas, kas tiek sintezētas kā neatkarīgas vienības. Replikoniem ir DNS sintēzes sākumpunkts un beigu punkts. RNS ir visi zināmie RNS šūnu veidi, kas atrodas sintēzes vai nobriešanas procesā. Histoni tiek sintezēti uz polisomām citoplazmā, un šī sintēze sākas nedaudz agrāk nekā DNS redublikācija. Sintezētie histoni migrē no citoplazmas uz kodolu, kur tie saistās ar DNS sekcijām.

Strukturāli hromatīns ir pavedienveida dezoksiribonukleoproteīna (DNP) molekulu komplekss, kas sastāv no DNS, kas saistīta ar histoniem. Hromatīna pavediens ir dubultā DNS spirāle, kas ieskauj histona kodolu. Tas sastāv no atkārtotām vienībām - nukleosomām. Nukleosomu skaits ir milzīgs.

Hromosomas(no grieķu valodas hromo un soma) ir šūnu kodola organellas, kas ir gēnu nesēji un nosaka šūnu un organismu iedzimtās īpašības.

Hromosomas ir dažāda garuma stieņa formas struktūras ar diezgan nemainīgu biezumu. Viņiem ir primārā sašaurināšanās zona, kas sadala hromosomu divās rokās.Tiek sauktas hromosomas ar vienādām vērtībām metacentrisks, ar nevienāda garuma pleciem - submetacentrisks. Tiek sauktas hromosomas ar ļoti īsu, gandrīz nemanāmu otro roku akrocentrisks.

Primārās konstrikcijas reģionā ir centromērs, kas ir diskveida slāņveida struktūra. Mitotiskās vārpstas mikrotubulu kūļi ir piestiprināti pie centromēra, virzoties uz centrioliem. Šie mikrotubulu kūļi piedalās hromosomu kustībā uz šūnas poliem mitozes laikā. Dažām hromosomām ir sekundāra sašaurināšanās. Pēdējais parasti atrodas netālu no hromosomas distālā gala un atdala nelielu reģionu, satelītu. Sekundāros sašaurinājumus sauc par nukleolārajiem organizatoriem. Šeit ir lokalizēta DNS, kas ir atbildīga par rRNS sintēzi. Hromosomu rokas beidzas ar telomēriem, gala apgabaliem. Hromosomu telomēriskie gali nespēj savienoties ar citām hromosomām vai to fragmentiem. Turpretim salauztus hromosomu galus var pievienot tiem pašiem salauztiem citu hromosomu galiem.

Hromosomu lielums dažādiem organismiem ir ļoti atšķirīgs. Tādējādi hromosomu garums var svārstīties no 0,2 līdz 50 mikroniem. Mazākās hromosomas ir atrodamas dažos vienšūņos un sēnēs. Garākie ir sastopami dažiem ortoptera kukaiņiem, abiniekiem un lilijām. Cilvēka hromosomu garums ir robežās no 1,5 līdz 10 mikroniem.

Arī hromosomu skaits dažādos objektos ievērojami atšķiras, taču ir raksturīgs katrai dzīvnieku vai augu sugai. Dažos radiolāros hromosomu skaits sasniedz 1000-1600. Rekordists starp augiem pēc hromosomu skaita (apmēram 500) ir zālaugu paparde; zīdkokam ir 308 hromosomas. Vismazākais hromosomu skaits (2 vienā diploīdajā komplektā) ir novērots malārijas plazmodijā, zirga apaļtārpu vidū. Cilvēkiem hromosomu skaits ir 46,šimpanzēs, tarakānos un paprikos– 48, Drosophila augļu muša – 8, mājas muša – 12, karpa – 104, egle un priede – 24, balodis – 80.

Kariotips (no grieķu valodas Karion — kodols, rieksta kodols, operatori — raksts, forma) ir noteiktai sugai raksturīgu hromosomu kopas īpašību kopums (hromosomu skaits, izmērs, forma).

Vienas sugas dažādu dzimumu indivīdi (īpaši dzīvnieki) var atšķirties pēc hromosomu skaita (atšķirība visbiežāk ir viena hromosoma). Pat cieši radniecīgās sugās hromosomu kopas atšķiras viena no otras vai nu ar hromosomu skaitu, vai pēc vismaz vienas vai vairāku hromosomu lieluma.Tāpēc kariotipa struktūra var būt taksonomiska iezīme.

20. gadsimta otrajā pusē sāka ieviest hromosomu analīzi hromosomu diferenciālās krāsošanas metodes. Tiek uzskatīts, ka atsevišķu hromosomu reģionu spēja iekrāsoties ir saistīta ar to ķīmiskajām atšķirībām.

4. Nucleolus. Karioplazma. Kodolproteīna matrica

Kodols (nucleolus) ir būtiska eikariotu organismu šūnu kodola sastāvdaļa. Tomēr ir daži izņēmumi. Tādējādi nukleolu nav ļoti specializētās šūnās, jo īpaši dažās asins šūnās. Kodols ir blīvs, noapaļots ķermenis, kura izmērs ir 1-5 mikroni. Atšķirībā no citoplazmas organellām, kodolam nav membrānas, kas ieskauj tā saturu. Kodola izmērs atspoguļo tā funkcionālās aktivitātes pakāpi, kas dažādās šūnās ir ļoti atšķirīga. Kodols ir hromosomas atvasinājums. Kodols sastāv no olbaltumvielām, RNS un DNS. RNS koncentrācija nukleolos vienmēr ir augstāka par RNS koncentrāciju citos šūnas komponentos. Tādējādi RNS koncentrācija kodolā var būt 2-8 reizes lielāka nekā kodolā un 1-3 reizes lielāka nekā citoplazmā. Augstā RNS satura dēļ nukleoli ir labi iekrāsoti ar pamata krāsvielām. DNS kodolā veido lielas cilpas, ko sauc par "kodolu organizatoriem". No tiem ir atkarīgs nukleolu veidošanās un skaits šūnās. Kodols savā struktūrā ir neviendabīgs. Tas atklāj divas galvenās sastāvdaļas: granulu un fibrilāru. Granulu diametrs ir aptuveni 15-20 nm, fibrilu biezums– 6-8 nm. Fibrilāro komponentu var koncentrēt kodola centrālajā daļā, bet granulēto komponentu - gar perifēriju. Bieži vien granulētais komponents veido pavedienveida struktūras - nukleolonēmas, kuru biezums ir aptuveni 0,2 μm. Kodolu fibrilārā sastāvdaļa ir ribosomu prekursoru ribonukleoproteīnu virknes, un granulas ir nobriešanas ribosomu apakšvienības. Kodola funkcija ir ribosomu RNS (rRNS) un ribosomu veidošanās, uz kurām citoplazmā notiek polipeptīdu ķēžu sintēze. Ribosomu veidošanās mehānisms ir šāds: uz nukleolārā organizatora DNS veidojas rRNS prekursors, kas nukleolārajā zonā ir pārklāts ar proteīnu. Nukleolārajā zonā notiek ribosomu apakšvienību montāža. Aktīvi funkcionējošajos nukleolos minūtē tiek sintezētas 1500-3000 ribosomas. Ribosomas no kodola caur porām kodola apvalkā nonāk endoplazmatiskā tīkla membrānās. Nukleolu skaits un veidošanās ir saistīta ar nukleolu organizētāju darbību. Izmaiņas nukleolu skaitā var rasties nukleolu saplūšanas vai šūnas hromosomu līdzsvara nobīdes dēļ. Kodolos parasti ir vairāki kodoli. Dažu šūnu kodoli (trīta oocīti) satur lielu skaitu nukleolu. Šo fenomenu sauc pastiprināšana. Tas sastāv no kvalitātes vadības sistēmu organizēšanas tā, ka notiek kodola organizatoriskās zonas pārmērīga replikācija, daudzas kopijas iziet no hromosomām un kļūst par papildus strādājošiem nukleoliem. Šis process ir nepieciešams, lai vienā olā uzkrātos milzīgs skaits ribosomu. Tas nodrošina embrija attīstību agrīnās stadijās pat tad, ja nav jaunu ribosomu sintēzes. Pārmērīgi daudz kodolu pazūd pēc olšūnas nobriešanas.

Kodola liktenis šūnu dalīšanās laikā. Profāzē sabrūkot r-RNS sintēzei, kodols atslābst un gatavas ribosomas tiek atbrīvotas karioplazmā un pēc tam citoplazmā. Hromosomu kondensācijas laikā kodola fibrilārais komponents un daļa granulu ir cieši saistīti ar to virsmu, veidojot mitotisko hromosomu matricas pamatu. Šo fibrilāri granulēto materiālu hromosomas pārnes uz meitas šūnām. Agrīnā telofāzē matricas komponenti tiek atbrīvoti, hromosomām dekondensējoties. Tās fibrilārā daļa sāk apvienoties daudzos mazos līdzstrādniekus - prekodolus, kas var apvienoties viens ar otru. Atsākoties RNS sintēzei, prenukleoli pārvēršas par normāli funkcionējošiem nukleoliem.

Karioplazma(no grieķu val< карион > – rieksts, riekstu kodols) vai kodola sula bezstruktūras pusšķidras masas veidā ieskauj hromatīnu un nukleolus. Kodolsula satur olbaltumvielas un dažādas RNS.

Kodolproteīna matrica (kodolskelets) - ietvara intranukleāra sistēma, kas kalpo, lai uzturētu starpfāzu kodola vispārējo struktūru, apvienojot visus kodola komponentus. Tas ir nešķīstošs materiāls, kas paliek kodolā pēc bioķīmiskās ekstrakcijas. Tam nav skaidras morfoloģiskās struktūras un 98% sastāv no olbaltumvielām.

Šādu pareizību proteīna ķēdes nepārprotamas aminoskābju secības reproducēšanā nosaka tā gēna reģiona DNS struktūra, kas galu galā ir atbildīgs par konkrētā proteīna struktūru un sintēzi. Šīs idejas kalpo kā galvenais molekulārās bioloģijas postulāts, tās “dogma”. Informāciju par nākotnes proteīna molekulu uz tās sintēzes vietām (ribosomām) pārraida starpnieks - messenger RNS (mRNS), kuras nukleotīdu sastāvs atspoguļo DNS gēnu reģiona nukleotīdu sastāvu un secību. Ribosomā ir uzbūvēta polipeptīdu ķēde, kuras aminoskābju secību nosaka mRNS nukleotīdu secība, to tripletu secība. Tādējādi molekulārās bioloģijas centrālā dogma akcentē informācijas pārneses vienvirzienu: tikai no DNS uz proteīnu, ar starpprodukta, mRNS (DNA ® mRNA ® proteīna) palīdzību. Dažiem RNS saturošiem vīrusiem informācijas pārraides ķēde var sekot RNS – mRNS – proteīna shēmai. Tas nemaina lietas būtību, jo noteicošā, noteicošā saite arī šeit ir nukleīnskābe. Reversie noteikšanas ceļi no proteīna uz nukleīnskābi uz DNS vai RNS nav zināmi.