Сложившиеся представления о внутриклеточном переносе генетической информации по схеме ДНК->РНК->белок, предложенной Ф. Криком, принято называть «центральной догмой » молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как общий перенос, известна и другая форма реализации генетической информации (специализированный перенос), обнаруженная при инфицировании клетки РНК-co держащими вирусами. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы, кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно, специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК-»ДНК-»РНК-»белок.
Транскрипция является первым этапом общего переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК на матрице ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности матричной нити ДНК (5’, переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5’->3’ на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов цепи ДНК рибонуклеотидам РНК (А - У, Г - Ц, Т - А, Ц - Г). Вторая цепь ДНК, комплементарная матричной, называется кодирующей («-»-цепь).
В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы клеточной РНК. Единица транскрипции получила название «транскриптон». На рисунке 1.4 представлена структура прокариотического транскриптона.
Рис. 1.4.
Процесс транскрипции катализируется РНК-полимеразой, представляющей собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций.
Транскрипцию принято подразделять на три основных стадии: инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса). Рассмотрим данный процесс на примере прокариотической клетки.
Инициация транскрипции осуществляется РНК-полимеразой в состоянии холофермента, т.е. в присутствии всех субъединиц (двух а, формирующих каркас РНК-полимеразы; р, катализирующей полимеризацию РНК; Р’, обеспечивающей неспецифическое связывание с ДНК; со, участвующей в сборке фермента и защищающей его от разрушения; о, распознающей промотор и связывающейся с промотором). Фермент связывается с участком ДНК, называемым промотором (рис. 1.5) и расположенным перед стартовой точкой, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы большинства генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5’-ТАТААТ-3’ (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка десяти нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность этих организмов (5’-ТТГАЦА-3’) обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы одно- нитевого 3’-5’-фрагмента ДНК. После синтеза короткого (длиной до десяти нуклеотидов) фрагмента РНК, G-субъединица отсоединяется, и РНК-полимераза переходит в состояние кор-фермента.
Рис. 1.5.
На этапе элонгации кор-фермент продвигается по ДНК-матрице, расплетая ее и наращивая цепь РНК в направлении 5’->3’. Вслед за продвижением РНК-полимеразы восстанавливается исходная вторичная структура ДНК. Процесс продолжается вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, на которой оканчивается синтез транскрипта, и он отсоединяется от матрицы. Существуют два основных способа терминации. При р-независимой терминации на синтезируемой РНК формируется шпилька, препятствующая дальнейшей работе РНК-полимеразы, и транскрипция прекращается, p-зависимая терминация осуществляется с участием р-белка, который присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК и с затратой энергии АТФ способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. Вместе с тем у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, которая кодирует синтез не одного, а двух и большего числа полипептидных цепочек. В этом случае происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Однако полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.
В отличие от прокариот, в клетках которых имеется РНК-поли- мераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот обнаружены ядерные РНК-полимеразы трех типов (I, II, III), а также РНК-полимеразы клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК (5,8S, 18S, 28S), РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК, мяРНК и микроРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и 5S рРНК.
Разные типы РНК-полимераз инициируют транскрипцию с разных промоторов. Так, промотор для РНК-полимеразы II (рис. 1.6) содержит универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-моти- вы). При этом та или иная промоторная область может включать либо одну из указанных последовательностей, либо комбинацию двух или трех таких последовательностей. Также для инициации транскрипции эукариотические РНК-полимеразы нуждаются в белках - факторах транскрипции.
Рис. 1.6.
Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. На рисунке 1.7 представлена структура эукариотического транскриптона. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула РНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).
Рис. 1.7.
Процессинг мРНК у эукариот включает три этапа: кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг. Модификация 5’-конца, называемая копированием, представляет собой присоединение к 5’-концу транскрипта гуанозинтрифосфата (ГТФ) необычной 5’-5’- связью. Реакция катализируется ферментом гуанилилтрансферазой. Затем происходит метилирование присоединенного гуанина и первых нуклеотидов транскрипта. Функциями «кэпа» (от англ, cap - колпачок, шапочка), вероятно, являются защита 5’-конца мРНК от ферментативной деградации, взаимодействие с рибосомой при инициации трансляции и транспорт мРНК из ядра. Модификация З’-конца (по- лиаденилирование) - это присоединение к З’-концу РНК-транскрип- та от 100 до 300 остатков адениловой кислоты. Процесс катализируется ферментом polyA-полимеразой. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на З’-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА. Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды. Третий этап процессинга - сплайсинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В сплайсинге принимают участие короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и первичного транскрипта способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания нитронов из гяРНК.
Следует отметить, что у эукариот процессингу подвергается большинство типов РНК, в то время как у прокариот мРНК процессингу не подвергается, и трансляция синтезируемой молекулы мРНК может начаться до завершения транскрипции.
Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5’ -> 3’). В клетках прокариот генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме, что определяет сопряженность процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5’-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции и трансляции разделены в пространстве и во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей транспортировки из ядра в цитоплазму, где будет осуществляться синтез полипептида.
Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основных стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК и белков (рис. 1.8). В составе рибосомы имеются две структурные субъединицы (большая и малая), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т.е. по коэффициенту седиментации (величине S). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).
Рис. 1.8.
Рибосомы прокариот состоят из большой и малой субъединиц с величинами 50S и 30S соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы крупнее (60S и 40S). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то и здесь мы его рассмотрим на примере прокариот. Как видно из рис. 1.8, в рибосоме содержатся несколько активных центров: A-участок (аминоацильный), P-участок (пептидильный), Е-участок (для выхода пустой тРНК) и участок связывания мРНК.
В процесс трансляции вовлечены также молекулы тРНК, функции которых состоят в участии в транспорте аминокислот из цитозоля к рибосомам и в распознавании кодона мРНК. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном молекулы мРНК, и акцепторный участок (на З’-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.3). Каждая аминокислота, участвующая в процессе трансляции, прежде чем переместиться к рибосоме, должна присоединиться к определенной тРНК с помощью соответствующего варианта фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии молекул АТФ. Образование комплекса аминоацил-тРНК проходит в два этапа.
- 1. Активация аминокислоты: Аминокислота + АТФ -> аминоа- цил-АМФ + РР.
- 2. Присоединение аминокислоты к тРНК: Аминоацил-АМФ + + тРНК -> аминоацил-тРНК + АМФ.
Инициация трансляции у прокариот сопровождается диссоциацией рибосомы на две субъединицы. Затем 5-8 нуклеотидная последовательность, расположенная на 5’-конце молекулы мРНК (последовательность Шайна - Далъгарно) связывается с определенной областью малой субъединицы рибосомы таким образом, что в P-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы. Функциональная особенность такого P-участка во время инициации состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, а у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез полипептида всегда начинается с N-конца и идет в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с N-метионина. Однако в дальнейшем эти аминокислоты, как правило, ферментативно отщепляются во время процессинга белковой молекулы. После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» P-участке становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р-участка и А-участка.
Процесс элонгации начинается с доставки следующей аминоацил-тРНК в A-участок рибосомы и присоединения на основе принципа комплементарности ее антикодона к соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке. Затем образуется пептидная связь между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами, после чего происходит перемещение рибосомы на один кодон мРНК в направлении 5’ -» 3’, что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК) и от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму через Е-участок.
При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из А-участ- ка в P-участок, а освободившийся A-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.
И инициация, и элонгация трансляции осуществляются с участием вспомогательных белковых факторов. На сегодняшний день у прокариот описано по три таких фактора для каждого из этапов синтеза белка.
Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-кодонов мРНК (УАА, УАГ, УГА) в A-участок рибосомы. Поскольку эти кодоны не несут информации о какой-либо аминокислоте, но узнаются соответствующими факторами терминации, процесс синтеза полипептида прекращается, и он отсоединяется от матрицы (мРНК).
После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5’-ко- нец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом, в результате чего формируется структура, называемая полисомой и представляющая собой несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу мРНК.
Механизм синтеза полипептида в эукариотической клетке принципиально схож с таковым у прокариот. Однако отличаются вовлеченные в процесс белковые факторы.
Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы. На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.
В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной струк- зв туры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно привести молекулу гемоглобина человека, состоящую из двух а-цепочек и двух (3-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру. Каждая из глобино- вых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.
ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Фрагмент кодирующей цепи ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: 5’-ГАТТЦТГАЦТЦАТТГЦАГ-3’
Определите ориентацию и нуклеотидную последовательность мРНК, синтезируемой на указанном фрагменте ДНК, и аминокислотную последовательность кодируемого ею полипептида.
- 2. Можно ли однозначно определить нуклеотидную последовательность мРНК и комплементарной ей нити ДНК, если известна аминокислотная последовательность кодируемого ими полипептида? Дайте обоснование своего ответа.
- 3. Запишите все варианты фрагментов мРНК, которые могут кодировать следующий фрагмент полипептида: Фен - Мет - Цис.
- 4. Какие аминокислоты могут транспортировать к рибосомам тРНК с антикодонами: АУГ, ААА, ГУЦ, ГЦУ, ЦГА, ЦУЦ, УАА, УУЦ?
- 5. Как можно объяснить то обстоятельство, что размеры нуклеотидной последовательности структурного гена (3-глобина (1380 пар нуклеотидов) значительно превышают величину, необходимую для кодирования соответствующего полипептида, состоящего из 146 аминокислотных остатков?
Вопрос 1. Вспомните полное определение понятия «жизнь».
В середине XIX в. Фридрих Энгельс писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». На современном уровне знаний это классическое определение жизни дополнено представлением об исключительной значимости нуклеиновых кислот — молекул, которые содержат генетическую информацию, позволяющую организмам самовозобновляться и самовоспроизводиться (размножаться).
Приведем одно из современных определений: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот». При этом понятие «открытая система» подразумевает отмеченный еще Ф. Энгельсом обмен веществами и энергией с окружающей средой (питание, дыхание, выделение); понятие «саморегуляция» — способность к поддержанию постоянства химического состава, структуры и свойств. Важным условием успешной саморегуляции является раздражимость — способность организма реагировать на информацию, поступающую из внешнего мира.
Вопрос 2. Назовите основные свойства генетического кода и поясните их значение.
Можно выделить семь основных свойств генетического кода.
Триплетность. Три стоящих подряд нуклеотида кодируют одну аминокислоту.
Однозначность. Один триплет не может кодировать более одной аминокислоты.
Избыточность. Одна аминокислота может быть кодирована более чем одним триплетом.
Непрерывность. Между триплетами не существует «знаков препинания». Если «рамку считывания» сдвинуть на один нуклеотид, то весь код будет расшифрован неверно. В качестве примера приведем предложение, состоящее из трехбуквенных слов: жил был кот кот был сер. Теперь сдвинем «рамку считывания» на одну букву: илб ылк отк отб ылс ер.
Генетический код является неперекрывающимся. Любой нуклеотид может входить в состав только одного триплета.
Полярность. Существуют триплеты, определяющие начало и конец отдельных генов.
Универсальность. У всех живых организмов один и тот же триплет кодирует одну и ту же аминокислоту.
Вопрос 3. Какова сущность процесса передачи наследственной информации из поколения в поколение и из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка?
При передаче наследственной информации из поколения в поколение молекулы ДНК удваиваются в процессе дупликации. Каждая дочерняя клетка получает одну из двух идентичных молекул ДНК. При бесполом размножении генотип дочернего организма идентичен материнскому. При половом размножении организм потомка получает собственный диплоидный набор хромосом, собранный из гаплоидного материнского и гаплоидного отцовского наборов.
При передаче наследственной информации из ядра в цитоплазму ключевым процессом является транскрипция — синтез РНК на ДНК. Синтезированная молекула иРНК является комплементарной копией определенного фрагмента ДНК — гена и содержит информацию о строении определенного белка. Такая молекула иРНК является посредником между хранилищем генетической информации — ядром и цитоплазмой с рибосомами, где создаются белки. Рибосомы используют иРНК как матрицу («инструкцию») для синтеза белка в процессе трансляции.
Вопрос 4. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Рибонуклеиновые кислоты синтезируются в ядре. Образование рРНК и сборка субъединиц рибосом происходят в особых участках яд- pa — ядрышках. Небольшое количество РНК синтезируется в митохондриях и пластидах, где имеется собственная ДНК и собственные рибосомы.
Вопрос 5. Расскажите, где происходит синтез белка и как он осуществляется.
Синтез белка происходит в цитоплазме и осуществляется с помощью специализированных органоидов — рибосом. Молекула иРНК соединяется с рибосомой тем концом, с которого должен начаться синтез белка. Аминокислоты, необходимые для синтеза белковой цепи, доставляются молекулами транспортных РНК (тРНК). Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот (например, только аланин). Какую конкретно аминокислоту переносит тРНК, определяет триплет нуклеотидов, расположенный на верхушке центральной петли тРНК, — антикодон.
Если антикодон окажется комплементарен триплету нуклеотидов иРНК, находящемуся в данный момент в контакте с рибосомой, произойдет временное связывание тРНК с иРНК, и аминокислота будет включена в белковую цепь.
На следующем этапе освободившаяся тРНК уйдет в цитоплазму, а рибосома сделает «шаг» и сдвинется к следующему триплету иРНК. Затем к этому триплету подойдет тРНК с соответствующим антикодоном и доставит очередную аминокислоту, которая будет присоединена к растущему белку.
Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В генетическом материале эукариот находятся неинформативные участки – интроны , которые между между информативными - экзонами . Лнтроннс-экзонная организация генов у эукариот определяет необходимость преобразования первичного транскрилта (пре-информационной РНК"- продукта транскрипции) в зрелую и-РНК. Она долина быть освобождена от неинформативных участков и защищена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.
Кроме того, у эукариот появляется ядерная мембрана, которая чространственно разобщаем место хранения генетической информации (хромосомы, находящиеся в ядре) и место синтеза пептидной цепи (рибосомы, находящиеся в цитоплазме). Иными словами, у эукариот процессе транскрипции и траслятши оказываются разобщенными как пространственно (ядерной обо.. 1кой), так и во времени (процессами созревания и-РНК).
Таким образом в ходе реализации наследственной информации" у эукариот могло выделить следующие этапы:
а) транскрипция
б) посттранскрипционные процессы (процесскнг)
в) трансляция
г) посттрансляционные процессы. <*
"а" и "б" протекают в ядре, "в" и "г" протекают в цитоплазме.
Транскрипция - процесс.переписывания информации, зашифрованной в молекуле дНК на молекулу и-РНК - осуществляется при участии фермента РНК-полимеразы. Этот фермент катализирует оборку И--РИК в направлении от 5" к 3* концу. Транскрипция осуществляется в соответствии с принципами комплементарности и антилараллеяькости. Вот почему она мо&ет происходить на одной из двух полпнуклеотидных цепей дНК, а именно, на той, которая начинается с З г конца, с"; а цепь называется кодогенной.
транскрипция иРНК
кодогенная (матричная)цепь ДНК
структурная часть гена
В участке у молекулу аНК, соответствущем отдельному гену, перед структурной часть©, в которой зашифрована последовательнооть "аминоквслот. в--пептиде, осязательно располагается последователь-:юсть нуклеотидов, узнаваемая РПК-полимеразой. Такая последовательность называется промотором .
РНК-пслимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после зтого, двигаясь вдоль молекулы дКК, обеспечивает постепенную сборку молекулы и-РНК в соответствии с принципами комп-лементарности и антипараллельности. В конце структурной части гена расположен участок с особой последовательностью нуклеотидов -»те-рмилатор » Он обязательно включает один из нонсенс-триплетов ^.нв кодирующих аминокислоты.
В результате транскрипции синтезируется молекула пре-ин-формационной РНК.
Посттраяскршплонные пропеосы (птюцессинг ) - это превращения, происходящие с первичным траыскриптом, направленные на образование зрелой, стабилизированной и-РНК, способной выполнять функцию матрицы при тг^сяяции, и защищенной от рагрушащвго воздействия специфических ферментов цитоплазмы.
Основные стадии щхщессинта :
а) отщепление концевых участков первичного транскрипт^:
б) формирование на 5" конце колпачка, состоящего из особой последовательности нуклеотидов;
в) формирование на 3* конце полиадениловой последовательности нуклеотидов А А А А ;
г) метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК;
д) вырезание неинформативных участков, соответствующих интронам дНК и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзокам
В результате процессинга у эук*>риот образуется зрелая и-РНК, характеризующаяся следующими особенностями строения:
Колпачок - особая последовательность нуклеотидов с метилированными основаниями, которая обеспечивает узнавание малых субъедгошц рибосом.
Лидер - вводная последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъединиц:; рибосомы, которая обеопечивает прикрепление и-РЙК к малой субъединице.
Стартовый кодон - триплет нуклеотидов, кодирующий в большинстве случаев аминокислоту формилметионин (АУЛ.
Кодирующая часть - последовательность кодонов, шифрутщих определенную последовательность аминокислот в соответствующей пептидной цепочке.
Трейлер - концевая часть молекулы и-РНК, включающая нок-сенс-кодон и поли-А последовательность.
Трансляция - процесс сборки пептидной цепи, происходящий в цитоплазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в и-РНК.
8 467k 27 *
Основные сазн тргнслятзгл : инициация
элонгация
терминация Инициация трансляции предполагает ел едущие события:
а) с помогая колпачка и-РНК находит в цитоплазме малую субъеда-
НЕПУ рибОСОМЫ,
б) с помощью лкдерной последовательности устанавливается связь „ с комплементарным участком определенно! 5 фракции р-РНК и
и-РНК прикрепляется к \:алой субъеднннце, ») к стартовому кодону (АУТ) присоединяется т-РНК, несущая
формилиетгокин, р) малая субъедикица ассоциируется с большой субъединицей,в «й
ноацильном центре (АЦ) которой располагается формилметшнин.
Таким образом фаза инициации завершается формированием комплекса и-РНК и рибосомы и подстановкой начальной для всех пептидных цепей аминокислоты - формилметионина.
Раза элонгации
, т.е. нарастание пептидной цепи, осуществляется путем постепенной подстановки аминокислот в соответствии с очередным ко доном и-РНК, который встает против аминоацильного центра.
К этому кодону присоединяется соответствущая т-РНК, имещая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоадкльном центре (АЦ), Т-РНК, соединенная с предыдущим ко доном, оказывается в пеп-тидильяом центре (ГЩ), где располагает свою аминокислоту (цепочку аминокислот). Между двумя аминокислотами, расположенны-ми в пептидильноы и аминоадкльном центре, при участии имеющихся здесь ферментов возникает пептидная связь -с.-//- После установления пептидной
пептидная связь связи предыдущая т-РНК отделяется от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплазму» а последующая т-РНК, нагруженная цепочкой аминокислот, переходит в ВД, заставляя и-РНК перемещаться вдоль рибосомы и устанавливать новый кодон против АЦ.
После прохождения через рибосому всей кодирующей части и-РНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последовательностью аминокислот.
Фаза термикацид наступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок и-РНК, который включает нонсенс-триплет, не ко-дируший никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается.По мере освобождения 5» пептидная связь конца и-РЖ, колпачок может находить новые малые субъедини цы рибосом и пу f ,ecc трансляции может повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибосом, находящихся в контакте с одной молекулой и-РНК и синтезирующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (по-лисомой).
Посттрансляционные процессы
В ходе предыдущих этапов реализации наследственной информации обеспечивается синтез пептидной цепа, котбрая в большинстве случаев начинается с аминокислоты формияметЕон.;с; и соответствует первичной структуре белковой молекулы. Последующие события заключаются в отщеплении форыилметионинс. в некоторых случаях осуществляется моди^Ецировакие пептида после трансляции, формируется вторичная и третичная структура белка. Иногда для некоторых белков, характеризующихся четвертичной структурой, осуществляется объединение одинаковых,либо различных лептидных цепей с образованием активно функционгрущего белка.
В зависимости от того, каковы функции белка (фермент, строительной материал, антитело и т.д.), он принимает участие в обеспечении морфо--функциональ1шх особенностей клетки (ojv^
ганжзма), т.е. в формировании определенных сложных признаков.
Это является завершающим этапом процесса реализации генетической информации.
3.5. Регуляция генной активности
Реализация наследственной информации в живых системах - это сложный процесс, требующий очень тонкой регуляции #*я того, что-"бы обеспечить в определенных клетках в -определенное время синтез определенных белков а необходимом количестве.
Все клетки организма, возникая путем митоза, получают полноценный набор генетической информации, образуемый при оплодотворении родительских гамет. Нес- ыотря на это, они отличаются по своим морфологическим, биохимическим и функциональным свойствам друг от друга. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках разных частей генома.
Большая часть генома в клетках opi-анизма находится в неактивном состоянии - репрессивном состоянии, и только приблизительно 1055 генов ^репрессированы . т.е. активно транскрибируются. Спектр транскрибируемых генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизнедеятельности и периода индивидуального развития организма.
Регуляция активности генов может осуществляться на всех этапах реализации генетической информации, но наиболее экономически выгодной является регуляция на стадии транскрипции.
Основная масса генов, активно функциснирующих в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза, - это гены, которые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, хромосом, мембран я т.д.), т-ГЯК и р-РНК. Транскрибирование этих с т р ук т ур ных генов обеспечивается соединением РНК-полимеразы с их промоторами и не подчиняется каким-либо другим регулирующим воздействиям. Такие гены называются конститутивными , другая группа структурных генов, обеспечивающих синтез некоторых белков-ферментов, в своем функционировании зависит от различных регулирующих факторов и называете п регулируемыми генами. Их активное функционирование, скорость и продолжительность транскрибирования могут регулироваться как генетическими факторами, так ж факторами негенетической природы. - . Генетическими факторами регуляции тг*шскридцни генов явля-
ются гены - регуляторы и операторя г Гены-регуляторы определяют синтез ^.яков-регуляторов, способных в активном состоянии соединяться с оператором, включающим или выключающим транскрипцию структурных генов. В зависимости от свойств белка-регулятора различают негативный и позитивный контроль транскрипции со стороны гена-регулятора. При негативном контроле белок-регулятор, соединяясь с оператором, прекращает (выключает) транскрипцию. Такой белок называется репрессором . При позитивном контроле белок-регулятор, соединяясь с оператором, включает транскрипцию. В таком случае продукт гена-регулятора называется апоиндуктором .
Таким образом наряду со структурными генами в геноме имеются гены-регуляторы, которые, обеспечивая репрессию или дерепрессию с трук т ур ных генов, регулируют процессы синтеза в клетке.
Наряду о генетическими факторами в регуляции экспрессии генов важная роль принадлежит факторам негенетической природы - эффекторам . К ним относятся вещества небелковой природы, расщепляемые или синтезируемые в клетке при участии разд-^ых ферментов.
В аавксжмостн от того, как эффектор воздействует на активность генов, различают индукторы ,включапзие транскрипцию генов, и ко-репрессоры . выключающие ее. действие эффектора заключается в его взаимодействии с белком-регулятором, при котором он либо активируется и может соединяться с оператором, либо инактиви 1: ? этся в теряет способность соединяться с оператором.
Таким образом экспрессия генов является результатом регулирующего воздействия на процессы транскрипции как со стороны самсго генома (гены - регу, тторы и операторы), так и со стороны факторов вегеяетической природы.
Регуляция транскрипции у прокариот
Езучениб регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции у прокариот привело в созданию в 1961 г. модели оперона (1акоб и Моно).
Оперся - это тесно связанная последовательность ст рук т ур ных генов, определяющих синтез группы ферментов д*." ,<акой-либо одной цепи биохимических реакций и регулирующаяся как едино„ целое.
Модель оперона структурные гены
Особенностью прокариот является транскрибирование и-РНК со всех структурных генов оперона. Такал полицистронная и-РНК в дальнейшем разрезается на фрагменты, соответствующие матрицам для синтеза отдельных ферментов. Цепи структурных генов оперона всегда предшествует промотор, узнаваемый РНК-полимеразой. 7 конститутивных гонов этого достаточно для осуществления транскрипции. У регулируемых генов между промотором и структурнши генами располагается оператор - последовательность нуклеотидов, которая узнается белком-регулятором, находящимся в активном состоянии. Пример функциовдрования, актозного оперона 6..Сое/
При отсутствии в среде лактозы активнг" репрессор, взаимодействуя с оператором, репрессирует гены ABC - транскрипции нет. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, и осуществляется транскрипция генов ABC,
отвечающих за синтез ферментов, которые расщепляют лактозу.
Пример негативного контроля функции лактозного оперона у E.coli
Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к соединению активного репрессора с оператором и выключению транскриЕции генов АЗС. Особенности регуляции транскрипции у эукариот
°У эукариот оперонная организация генов не установлена. Гены, определяющие синтез "ферментов, кателизиружих разные звенья в цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме, и, возможно, не имеют/как у прокариот, един^ регулирующей системы (г? -^г.лятор, промотор, оператор). Ь настоящее время механизмы регуляции и координафя активности таких генов окончательно не выяснены. Однако их функционирование несомненно подчиняется регуляторным воздействиям как внутри клетки (гены-регуляторы), так и на уровне организма (гормона).
Помимо регуляции экспрессии генов на стадии тралс:ср:гп::ии, она может осуществляться и при процессинге (обсуждается роль нитронов) и в ходе трансляции и поеттрасляционнылг модификаций белков.
Несмотря на то, что регуляция на поздних этапах реализации наследственной информации экономически менее выгодна клеткам, она обеспечивает наиболее быстрый ответ на воздействие регулирующих факторов. Например прекращение трансляки/ пептидной цепи сразу дает эффект по сравнению с прекращение".! транскрипции соответствующего гена, так. как синтезированные молекулы и-РНК еще некоторое время после окончания транзхряппда обеспечивают в цитоплазме сборку пептидной цели. В совокупности все механизмы регуляции генной активности, обеспечивает производство бглков в необходимом и достаточном в данный момент количестве.
Генетический код – способ записи в молекуле ДНК информации о количестве и порядке расположения аминокислот в белке.
Свойства:
Триплетность - одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами
Неперекрываемость - один и тот же нуклеотидне может входить одновременно в состав двух или более триплетов
Однозначность (специфичность) - определённый кодон соответствует только одной
Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусовдочеловека
Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
14.Этапы реализации наследственной информации у прокариот и эукариот.
Репликация (синтез) ДНК
Синтез ДНК всегда начинается в строго определенных точках. Фермент топоизомераза раскручивает спираль. Геликаза разрушает водородные связи между цепями ДНК и образует вилку репликаций. SSB-белки препятствуют повторному формированию водородных связей.
РНК-праймаза синтезирует короткие фрагменты РНК (праймеры),которые присоединяются к 3"-концу.
ДНК-полимераза начинают от праймера и синтезирует дочернюю цепь(5" 3")-
Направление синтеза одной цепи ДНК совпадает с направлением движения вилки репликаций, поэтому данная цепь синтезируется непрерывно. Здесь синтез идет быстро. Направление синтеза второй цепи противоположно напралению вилки репликаций. Поэтому синтез данной цепи происходит в виде отдельных участков и идет медленно (фрагменты Оказаки).
Созревание ДНК: отщепляется РНК-праймеры, достраиваются недостающие нуклеотиды, фрагменты ДНК соединяются с помощью лигазы. Топоизомераза раскручивает спираль.
Этапы реализации наследственной информации (у эукариот)
1.Транскрипция
2.Процессинг
3.Трансялция
4.Посттрансляционные изменения
Трансляция – синтез молекулы РНК на основе молекулы ДНК. Ключевой фермент – РНК-полимераза.
РНК-полимераза должна распознать промотер и взаимодействовать с ним. Промотер –особый участок ДНК, который располагается перед информативной частью гена. Взаимодействие с промотором необходимо для активации РНК-полимеразы. После активации РНК-полимераза обеспечивает разрыв водородных связей между цепями ДНК.
Синтез РНК всегда происходит по определенной кодогенной цепи ДНК.На этой цепи промотер располагается ближе к 3"-концу.
Синтез РНК происходит по принципам комплементарности и антипараллельности.
РНК-полимераза достигает стоп-кодона (терминатор или терминирующей кодон).Это является сигналом для прекращения синтеза. Фермент инактивируется, отделяется от ДНК при этом освобождается вновь синтезированная молекула ДНК – первичный трансткрипт – про-РНК. Восстанавливается исходная структура ДНК.
Особенности строения гена эукариот:
У эукариотов гены включают в себя различные по функции участки
А) Интроны- фрагменты ДНК (гена), которые не кодируют аминокислоты в белке
Б)Экзоны – участки ДНК, которые кодируют аминокислоты в белке.
Прирывистая природа гена была обнаружена Роберцом и Шарпом (Ноб. Премия 1903г).
Количество интронов и экзонов в разных генах сильно отличается.
Процессинг (созревание)
Происходит созревание первичного транскрипта и образуется зрелая молекула матричной РНК, которая может участвовать в синтезе белка на рибосомах.
На 5"- конце РНК формируется особый участок (структура) – КЭП или шапочка. КЭП обеспечивает взаимодействие с малой субъединицей рибосомы.
На 3"-конце РНК присоединяется от 100 до 200 молекул нуклеотидов, несущих аденин (полиА). При синтезе белка эти нуклеотиды постепенно отщепляется, разрушение полиА является сигналом для разрушения молекул РНК.
К некоторым нуклеотидам РНК присоединяется группа CH 3 – метилирование. Это увеличивает устойчивость ДНК к действию ферментов цитоплазмы.
Сплайсинг – происходит вырезание интронов и сшивание между собой экзонов. Фермент рестриктаза удаляет, лигаза- сшивает)
Зрелая матричная РНК включает в себя:
Лидер обеспечивает связывание матричной РНК с субъединицей рибосомы.
СК – стартовый кодон – одинаковый у всех матричных РНК, кодирует аминокислоту
Кодирующий участок – кодирует аминокислоты в белке.
Стоп-кодон – сигнал о прекращаемся синтезе белка.
Во время процессинга происходит жесткий отбор в цитоплазму из ядра выходит около 10% молекул от числа первичных транскриптов.
Альтернативный сплайсинг
У человека имеется 25-30 тысяч генов.
Однако у человека выделено около 100 тысяч белков.
Альтернативный сплайсинг – это ситуация, при которой в клетках разных тканей один и тот же ген обеспечивает синтез одинаковых молекул проРНК. В разных клетках по разному определяется количество и границы между экзонами и интронами. В результате из одинаковых первичных транскриптов получаются различные мРНК и синтезируются разные белки.
Альтернативный сплайсинг доказан примерно для 50% генов человека.
Трансляция – это процесс сборки пептидной цепи на рибосомах согласно информации, заложенной в иРНК.
1.Инициация (начало)
2.Элонгация (удлинение молекулы)
3.Терминация (конец)
Инициация.
Молекула матрРНК с помощью КЭПа контактирует с малой субъединицей рибосомы. С помощью лидера РНК связывается с субъединицей рибосомы. К стартовому кодону присоединяется транспРНК, которая несет транспортную кислоту метионин. Затем присоединяется большая субъединица рибосомы. В целой рибосоме формируется два активных центра: аминоацильный и пептидильный. Аминоакцильный свободен, а пептидильный занят тРНК с метионином.
Элонгация.
В аминоакцильный цент входит мРНК, антикодон которой соответствует кодируещему.
После этого рибосома сдвигается относительно мРНК на 1 кодон.При этом аминоакцильный центр освобождается. В пептидильном центре находится мРНК, соединяется с второй аминокислотой. Процесс циклически повторяется.
3.Терминация
В аминоацильный центр поступает стоп-кодон, который распознается специальным белком, это является сигналом для прекращения синтеза белка. Субъединицы рибосомы разъединяются, освобождая при этом мРНК и вновь синтезируется полипептид.
4.Пострансляционные изменения.
При трансляции образуется первичная структура полипептида.Этого недостаточно для выполнения функций белка, поэтому белок изменяется, что обеспечивает его активность.
Образуется:
А) вторичная структура (водородные связи)
Б)глобула – третичная структура (дисульфидные связи)
В) четвертичная структура – гемоглобин
Г)Гликозилирование – присоединение к белку остатков сахаров (антитела)
Д) расщепление большого полипептида на несколько фрагментов.
Различия в реализации наследственной информации прокариот и эукариот:
1.У прокариот отстутсвуют экзоны и интроны, поэтому отсутствуют этапы процессинга и сплайсинга.
2.У прокариот транскрипция и трансляция происходит одновременно, т.е. идет синтез РНК и уже начинается синтез ДНК.
3.У эукариот синтез различных видов РНК контролируется различными ферментами. У прокариот все типы РНК синтезируются одним ферментом
4.У эукариот каждый ген имеет свой собственный уникальный промотер, у прокариот один промотер может контролировать работу несколькихгенов.
5. Только у прокариот имеется система Оперона
