От РНК к протеинам

После поста Подробнее об РНК, вы знаете, как организм получает РНК а также мРНК. мРНК это что-то вроде рецепта, который используют клетки для приготовления нужных им химических веществ - протеинов. В этом сообщении речь пойдет о том, как этот рецепт клетками читается и исполняется.
Чтобы что-то готовить нужны ингредиенты. Организм использует аминокислоты в качестве ингредиентов для протеинов. Все протеины в нашем теле получаются комбинацией из 20 различных аминокислот. Также как основными компонентами ДНК являются 4 нуклеотида A, T, G и С, основные составляющие протеинов - 20 аминокислот:

Глицин	Gly	G
Аланин	Ala	A
Валин	Val	V
Изолейцин	Ile	I
Лейцин	Leu	L
Пролин	Pro	P
Серин	Ser	S
Треонин	Thr	T
Цистеин	Cys	C
Метионин	Met	M
Аспарагиновая кислота	Asp	D
Аспарагин	Asn	N
Глутаминовая кислота	Glu	E
Глутамин	Gln	Q
Лизин	Lys	K
Аргинин	Arg	R
Гистидин	His	H
Фенилаланин	Phe	F
Тирозин	Tyr	Y
Триптофан	Trp	W

Таблица скопирована с википедии, как видите, у каждой аминокислоты есть два обозначения: из трех букв (второй столбец) и из одной буквы (последний столбец).

Но как сопоставить 4 буквы в коде РНК 20-ти аминокислотам?
Первая часть центральной догмы (о которой я писал тут) это транскрипция РНК из ДНК, вторая часть центральной догмы состоит в получении протеинов из мРНК и называется трансляцией. Трансляция в нашем организме осуществляется рибосомами. Рибосомы способны читать последовательность мРНК и создавать на основе прочитанного аминокислоты.

Одной из научных загадок XX века было понять как рибосома читает код мРНК. Если бы рибосома выдавала одну аминокислоту для одной буквы кода мРНК, то она могла бы создать только 4 различных аминокислоты, если бы одну аминокислоту кодировали 2 буквы генетического кода, то все различные комбинации дали бы нам 16 аминокислот, но рибосомы производят 20 разных аминокислот. Очевидно, чтобы закодировать 20 аминокислот 4 буквами необходимо, как минимум, использовать комбинацию из трех букв на одну аминокислоту. В действительности так и есть: чтобы создать одну аминокислоту, рибосома читает 3 буквы кода мРНК. Причем читает она по 3 буквы друг за другом. В начале изучения трансляции высказывались гипотезы, что имеет место перекрытие (overlaping) при чтении рибосомой мРНК. То есть последний или два последних нуклеотида в тройке, кодирующей аминокислоту, являются первыми в следующей тройке. Гипотеза оказалась неверной.

Тройка нуклеотидов, кодирующая аминокислоту, называется кодоном. Количество комбинаций, в которых можно расположить 4 нуклеотида в кодоне равно 4*4*4=64. Перед вами таблица, в которой для каждой комбинации A, U, G и C приведена кодируемая аминокислота:

Некоторые аминокислоты кодируются сразу несколькими кодонами, как, например, лейцин (Leu). Комбинация AUG является сигналом для рибосомы о необходимости начать кодирование аминокислот и одновременно о создании метионина (Met). Три кодона отвечают за остановку процесса трансляции - обозначены в таблице STOP (UAA, UAG и UGA), читая эти комбинации, рибосома никаких аминокислот не создает.
На поиск этой таблицы наука потратила многие годы, и сейчас вы за каких-то пару минут можете изучить результат этой долгой и кропотливой работы.
Со всеми определениями, которые я использовал в этом и предыдущем сообщениях об РНК очень легко запутаться. Поэтому, повторим:
Центральная догма молекулярной биологии гласит: сначала происходит транскрипция РНК из ДНК, а потом трансляция полученной РНК в протеины. Транскрипция РНК происходит в ядре клетки, где с необходимого гена ДНК создается копия в виде РНК, из которой в процессе сплайсинга удаляются интроны, а оставшиеся экзоны образуют матричную РНК (мРНК), участвующую в трансляции.
Трансляция происходит с помощью рибосом, которые считывают мРНК по 1 кодону за раз. Каждый кодон либо кодирует аминокислоту либо является сигналом для рибосомы прекратить трансляцию. Кодон, указывающий о необходимости начать кодирование аминокислот и, одновременно кодирующий метионин, имеет комбинацию AUG. Кодоны, указывающие на остановку трансляции, это UAA, UAG и UGA. То есть, если рибосома прочитает комбинацию UCU-AUG-GGA-UGA, на выходе будет протеин со следующими аминокислотами: Met-Gly.
Если вы поняли смысл последних предложений, поздравляю, вы знаете очень много определений, это большой повод для гордости.
Теперь немного цифр. Человеческий геном состоит из примерно 3-х миллиардов пар нуклеотидов. Ученых долго волновал вопрос: "А сколько генов, кодирующих протеины содержится в нашем геноме?" Некоторые делали догадки. Разброс во мнениях был очень приличным - минимальное предположенное количество генов было 25 тысяч, максимальное 250 тысяч. В конце концов, оказалось, что количество генов, кодирующих протеины, в человеческом геноме лежит между 20 и 25 тысячами. Это относительно не очень большое число, оно сравнимо с количеством генов у мух дрозофила и у круглых червей. Для сравнения у одного из видов тополя более 70 тысяч генов.

Но человеческий организм гораздо сложнее организмов ленточного червя, дрозофил и тополей, поэтому сложность организма определяется далеко не количеством генов, кодирующих протеины. Также сложность не определяется количеством пар нуклеотидов в геноме - у одноклеточных амеб около 650 миллиардов пар.
Менее двух процентов человеческого генома участвует в кодировании протеинов. Однако, примерно 80% генома переводится в РНК путем транскрипции. Некоторые, полученные транскрипцией, молекулы РНК в наших клетках также выполняют роль регуляторов, например, активности мРНК, еще некоторые виды РНК являются составляющими для строительства рибосом (рибосомная РНК - рРНК). Более того, в определенных клетках транскрипция РНК происходит с обеих составляющих спирали ДНК, при этом РНК, полученная с помощью одной части спирали ДНК, используется для трансляции, а полученная с помощью второй части - для регулирования каких-то процессов организма.
Короче говоря, принцип работы генома чрезвычайно сложен, и некоторые вопросы до сих пор не решены.

Проверь свои знания

1. Процесс создания клеткой РНК по ДНК называется

• Трансляция
• Транскрипция
• Сплайсинг
• Генотипирование

2. Процесс создания протеинов из мРНК называется

• Трансляция
• Транскрипция
• Сплайсинг
• Секвенирование

3. мРНК образовано

• Экзонами
• Интронами
• Аминокислотами
• Протеинами

4. Какая последовательность нуклеотидов мРНК создаст протеин из следующих аминокислот Met-Tyr-Pro-Leu?

•  CGACUCAUGUAUCCUCUCUGAUGGUGU
• ACUCGAUGUAUCCUCUCUGAUGGUGUС
• ACUCGCAGUUAUCCUCUCUGAUGGUGU
• ACUCGCAUCUAUCCUCUCUGAUGGUGU

Результат =

Правильные ответы:

Free JavaScripts provided

by The JavaScript Source

Подробнее об РНК

В этом посте возвращаюсь к теории как именно ДНК влияет на наши особенности. Из предыдущего сообщения известно, что рибонуклеиновая кислота (РНК) это что-то вроде промежуточного элемента между хромосомами, в которых находится генетическая информация, и рибосомами, которые эту информацию интерпретируют.
Для тех кто не знаком с моим блогом, чтобы войти в курс дела, советую прочитать предыдущие посты в таком порядке:
1 Что такое ДНК
2 О ДНК и геноме
3 Как работает геном
Но что представляет собой РНК?
Из первого сообщения известно, что структура ДНК это двойная спираль, в которой два ряда нуклеотидов находятся друг напротив друга. РНК по строению схожа с ДНК, но есть пара отличий:
Во-первых, в РНК только один ряд нуклеотидов
Во-вторых вместо тимина в РНК находится урацил (обозначается U).

С химической точки зрения РНК состоит из нуклеотидов, тогда как ДНК из дезоксинуклеотидов. Нуклеотиды отличаются от дезоксинуклеотидов наличием дополнительного атома кислорода в структуре. Эти детали нас мало волнуют, поэтому дезоксинуклеотиды мы свободно зовем нуклеотидами, хотя они и отличаются.
Т.к. РНК состоит из нуклеотидов, она может присоединиться к половине ДНК или к самой себе, при этом урацил комплементарен аденину, т.е. может с ним соединяться. Когда РНК выходит из ядра клетки, она представляет собой не вытянутую длинную молекулу, а может соединится сама с собой, как на рисунке:

Теперь о том как РНК образуется с помощью ДНК.
Первым делом, клетка находит начало интересующего ее участка интересующей хромосомы (или просто гена). Процесс поиска в клетке происходит с помощью протеинов. Затем в интересующем участке начинается распрямление двойной спирали ДНК. Далее протеины разделяют раскрученную спираль ДНК на две составляющие. После разделения ДНК в нужном участке, начинает работу строитель РНК - РНК полимераза, которая присоединяет нуклеотиды (UACG) к нуклеотидам раскрученной ДНК, образуя длинную молекулу РНК.

Процесс получения РНК по ДНК называется транскрипцией.
Участок ДНК,  говорящий протеинам где надо начинать транскрипцию, называется промотор.
Созданная РНК не вся интерпретируется рибосомами для создания протеинов. В полученной в результате транскрипции РНК есть два типа участков: интроны и экзоны. В результате явления под названием сплайсинг все экзоны объединяются в одну РНК, которая и используется при кодировании протеинов. Такая РНК называется матричная РНК обозначается мРНК (в английском варианте messenger RNA - mRNA). Вообще у РНК много разных префиксов, говорящих о ее назначении. Схема процесса получения мРНК:

Некоторые гены содержат только один экзон, но таких генов немного. Во многих генах суммарная длина интронов в несколько раз превышает суммарную длину мРНК. Плюс к этому далеко не весь код мРНК используется рибосомами для создания протеинов.
Отсюда и возникает столько маленькая цифра: меньше 2% нашего генома представляет собой код для получения протеинов.

Как работает геном

Изучив, что представляет геном, надо разобраться как он работает.
Рассмотрим сначала пример как геном определяет группу крови. Думаю, все видели вот такую картинку:

и многие знают, что это красные кровяные тельца - эритроциты. В крови эритроциты выполняют транспортную функцию. Переносят кислород и углекислый газ к и от  различных органов. На поверхности эритроцитов могут присутствовать молекулы - антигены, их обозначают обычно "A" и "B". Протеины (в этом случае они же ферменты они же энзимы просто разные названия) регулируют какой именно антиген находится на эритроцитах.
Отсутствие антигенов A и B на эритроцитах определяет первую группу крови. Наличие антигена A при отсутствии B определяет вторую группу крови. Если есть только B - третья группа крови, и если есть оба антигена A и B - у человека четвертая группа крови. В англоязычных источниках протеин, который регулирует какой антиген присутствует на поверхности эритроцитов и, как следствие, определяет группу крови называется ABO enzyme - я буду называть его ABO энзим, т.к. пока не нашел как принято называть этот протеин на русском.
Но причем тут геном? В случае с группой крови наш геном имеет что-то вроде рецепта, по которому организм готовит ABO энзим. Таким рецептом является последовательность нуклеотидов в участке генома. И мы плавно подошли к понятию гена. Ген это участок генома отвечающий за производство организмом чего-либо - в нашем случае протеина (ABO энзима). Можно провести аналогию, если ген это рецепт, то весь геном это книга рецептов, по которой организм готовит составляющие, определяющие наши особенности. Про гены говорят, что они являются кодирующими участками генома - кодируют протеины. В нашем геноме также есть некодирующие участки.
Ген, кодирующий ABO энзим, называется ABO. В разделе raw data 23andme вы можете детально посмотреть какими нуклеотидами представлен этот ген у вас. Вбиваем ABO в поле jump to a gene и жмем Go:

А как именно ДНК влияет на производство протеинов в организме?
В клетках нашего организма помимо ядер и митохондрий, о которых уже немного известно из предыдущего поста, содержится еще много различных составляющих. Из всех них нас сейчас будут интересовать рибосомы. Рибосомы выполняют в клетке функцию создания протеинов.

На картинке рибосомы указаны под номером 3 - небольшие кружочки. По номером 9 на картинке уже знакомые митохондрии, 2 - ядро клетки. Остальные составляющие нас тут не интересуют.

Теперь о том, как ДНК, находящееся в ядре, дает понять рибосомам какой протеин делать. ДНК хромосом никогда не покидает ядро клетки даже при делении. Чтобы передать информацию от ДНК к рибосомам используется промежуточная молекула - (рибонуклеиновая кислота) РНК, которую можно назвать младшей сестрой ДНК. Процесс переноса информации от ДНК к рибосомам происходит в результате следующих шагов:
1 В ядре создается копия интересующего клетку участка ДНК. Копия создается в виде РНК, которую мы рассмотрим подробнее позже.
2 Созданный участок РНК покидает ядро
3 Рибосомы по РНК создают протеины
Эти три процесса, вернее их последовательность (ДНК->РНК->Протеины), известны как центральная догма молекулярной биологии. Схематично процесс получения протеинов показан на картинке.

Возможно у вас появились вопросы, что-то стало не совсем понятно - не переживайте все прояснится далее, когда мы рассмотрим немного глубже РНК и гены.
В завершении поста отмечу, что участков ДНК, отвечающих за кодирование протеинов, в нашем геноме всего 1-2%. Удивлены?