Реализа́ция генети́ческой информа́ции — процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК, воплощается в биологически активных веществах — РНК и белках. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов. Представление об этом информационном потоке называется центральной догмой молекулярной биологии.
Реализация генетической информации у про- и эукариот[]
Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.
ПРОКАРИОТЫ. У прокариот синтез белка рибосомой (трансляция) пространственно не отделен от транскрипции и может происходить еще до завершения синтеза мРНК РНК-полимеразой. Прокариотические мРНК часто полицистронные, то есть содержат несколько независимых генов.
ЭУКАРИОТЫ. мРНК эукариот синтезируется в виде предшественника, пре-мРНК, претерпевающего затем сложное стадийное созревание - процессинг, включающий присоединение кэп-структуры к 5'-концу молекулы, присоединение нескольких десятков остатков аденина к ее 3'-концу (полиаденилирование), выщепление незначащих участков - интронов и соединение друг с другом значащих участков - экзонов (сплайсинг). При этом соединение экзонов одной и той же пре-мРНК может проходить разными способами, приводя к образованию разных зрелых мРНК, и в конечном итоге разных вариантов белка (альтернативный сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая процессинг, экспортируется из ядра в цитоплазму и вовлекается в трансляцию.
Основные стадии процесса реализации генетической информации у эукариот[]
Начальная стадия хранения информации[]
После окончания клеточного деления, хроматин, который содержит ДНК с генетической информацией находится в так называемом конденсированном состоянии, которое предназначено для того, чтобы в наиболее сохранном виде доставить генетическую информацию из родительской клетки в дочерние. В этом состоянии ДНК находится в максимально компактном состоянии и не работает.
Деконденсация хроматина[]
Когда деление завершено, ДНК должна быть приведена в активизированное состояние. Для этого она разворачивается под управлением специальных белков хроматина. На этой стадии происходит процесс индукции или суппрессии тех или иных генов, когда они могут становиться либо «говорящими» (экспрессируются), либо «молчащими». Одним из проявлений этого процесса является дифференциация клеток.
Транскрипция (переписывание)[]
К развёрнутым участкам ДНК получают доступ специальные ферменты, называемые РНК-полимеразами. ДНК и РНК представляет собой цепочку из звеньев — нуклеотидов. Между нуклеотидами ДНК и РНК существует химическое сродство, что позволяет полимеразе двигаться по ДНК и синтезировать РНК, в точности соответствующую ДНК. Полученная в результате транскрипции РНК называется информационной (иРНК) или матричной (мРНК). Переписываемый участок не бесконечен, а ограничен с обеих сторон специальными ДНК-последовательностями и называется геном. После транскрипции с гена получается соответствующая ему мРНК. Подробнее см. транскрипция.
Трансляция и транспорт аминокислот[]
Основными органическими веществами всех живых организмов на Земле являются белки, а в основе всех белков лежит двадцать аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку из аминокислотных молекул. Чтобы «прочитать» информацию из созданных на предыдущем этапе мРНК, требуется во-первых, постоянная подача аминокислот, а во-вторых, работа по преобразованию генетического кода в аминокислотный. Дело в том, что каждой аминокислоте соответствует тройка нуклеотидов и это соответствие в достаточной мере произвольно. Поэтому в клетке всегда присутствует 20 видов так называемых транспортных РНК (тРНК), которые с одного конца имеют химическое сродство к некоторой тройке нуклеотидов, а с другого конца специальным ферментом (аминоацил-тРНК-синтетаза) присоединяется соответствующая данной тройке аминокислота. То есть, каждая такая тРНК является адаптором, а набор молекул синтетазы, которых тоже 20 видов — таблицей преобразования генетического кода в аминокислотный. тРНК постоянно «вылавливают» плавающие в цитоплазме клетки аминокислоты и доставляют их к месту синтеза белков — к рибосомам. См. Трансляция
Синтез (сборка) белков в рибосомах[]
Рибосомы плавают в цитоплазме клетки и к ним поступают мРНК с информацией из ядра и тРНК с материалом из окружающей цитоплазмы. Рибосома также похожа на застёжку-молнию, только гораздо крупнее РНК-полимеразы и представляет собой целую клеточную органеллу. Во время работы она надевается на цепочку мРНК и скользит по ней. Поступающие в рибосому тРНК соединяются с текущим участком мРНК только в том случае, если ответная часть соответствует закодированной аминокислоте. После этого рибосома получает нужную аминокислоту, отсоединяет её от тРНК и подсоединяет к белковой цепочке, которую она ткёт. Свободная тРНК удаляется, а рибосома переходит к следующей тройке нуклеотидов, после чего процесс повторяется. Оканчивается он тогда, когда будет пройдена вся цепочка мРНК, при этом будет соткан в точности тот белок, который был закодирован в том гене в ДНК, который дал начало всему процессу.
Биологическая активность белков[]
Белки являются практически универсальными химическими соединениями. Различные аминокислоты обладают различным химическим сродством друг к другу, к воде, к другим веществам. Поэтому, готовый белок скручивается в пространстве особым, только ему присущим образом, обнажая свои части, различные по форме и химической активности. В клетках белки используются и как строительный материал и как ферменты, катализирующие или ингибирующие необходимые реакции. Каждый белок можно считать «молекулярным роботом», выполняющим свою примитивную функцию. В результате активности белков, в клетке синтезируются все другие химические вещества, небелкового происхождения, в частности, сами аминокислоты, нуклеотиды, ДНК и РНК и другие. Подробнее см. Белок.
Вспомогательные процессы[]
- Много процессов основано на том факте, что соответствующие нуклеотиды РНК имеют химическое сродство друг с другом, а если создать их комплементарные цепочки, то сродство можно усилить. Таким образом, цепочки РНК можно использовать для построения различных структур, наподобие детской игрушки — воздушного шарика-сосиски, из которого можно собирать разного рода фигуры. Все 21 тРНК являются такими структурами, напоминающими по форме карточную масть трефы ("крести"), рибосомы тоже построены подобным образом, с ипользованием рибосомной РНК (рРНК). Поскольку структура таких молекул определяется последовательностью нуклеотидов, то они также кодируются в ДНК.
- Синтез и работа белков часто требуют энергии. В клетках универсальным носителем энергии являются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Так на образование одного нового звена в белковой цепочке, требуется одна «заряженная» молекула АТФ.