Основные направления движения генетической информации. Передача наследственной информации клеткой

Этапы реализации генетической информации

I. Транскрипция - синтез всœех видов РНК на матрице ДНК. Транскрипция, или переписывание, происходит не на всœей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определœенный белок (ген). Условия, необходимые для транскрипции:

а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков- ферментов

б) наличие строительного материала в виде АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменты трансктипции - РНК-полимеразы I, II, III

г) енергия в виде АТФ.

Транскрипция происходит по принципу комплементарности. При этом с помощью специальных белков-ферментов участок двойной спирали ДНК раскручивается, является матрицей для синтеза иРНК. Далее вдоль цепи ДНК

движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды по принципу комплементарности в растущую цепь РНК. Далее одноцепочечная РНК отделяется от ДНК и через поры в мембране ядра покидает клеточное ядро (рис. 5)

Рис. 5 Схематическое изображение транскрипции.

Различия в транскрипции про- и эукариот.

По химической организации наследственного материала эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Известно, генетический материал представлен ДНК.

Наследственный материал прокариот содержится в кольцевой ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки. Гены прокариот состоят целиком из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот содержат информативные участки -экзоны, которые несут информацию об аминокислотной последовательности белков, и неинформативные участки - интроны, не несущие информации.

Соответственно, транскрипция информационной РНК у эукариот проходит в 2 этапа:

S) переписываются (транскрибируются) всœе участки (интроны и экзоны) -такая иРНК принято называть незрелой или про-иР НК.

2). процес синг - созревание матричной РНК. С помощью специальных ферментов вырезаются интронные участки, затем сшиваются экзоны. Явление сшивания екзонов принято называть сплайсингом. Посттранскрипционное дозревание молекулы РНК происходит в ядре.

II. Трансляция (translation), или биосинтез белка. Суть трансляции -перевод четырехбуквенного шифра азотистых оснований на 20-буквенный ʼʼсловарьʼʼ аминокислот.

Процесс трансляции состоит в переносœе закодированной в иРНК генетический информации в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется биосинтез белка в цитоплазме на рибосомах и состоит из нескольких этапов:

1. Подготовительный этап (активация аминокислот), состоит в ферментативном связывании каждой аминокислоты с своей тРНК и образовании комплекса аминокислота - тРНК.

2. Собственно синтез белка, который включает три стадии:

а) инициация - иРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, первыми кодонами, инициирующими, являются АУТ или ГУГ. Этим кодонам соответствует комплекс метионил -тРНК. Вместе с тем, в инициации участвует три белковых: фактора, облегчающие связывание мРНК с большой субчастицей рибосомы, образуется инициаторный комплекс

б) элонгация - удлинœение полипептидной цепочки. Процесс осуществляется в 3 шага и состоит в связывании кодона мРНК с антикодоном тРНК по принципу комплементарности в активном центре рибосомы, затем в образовании пептидной связи между двумя остатками аминокислот и перемещении дипептида на шаг вперёд и, соответственно, передвижения рибосомы вдоль иРНК на один ко дон вперед

в) терминация - окончание трансляции, зависит от присутствия в иРНК терминирующих кодонов или "стоп-сигналов" (УАА,УГА,УАГ) и белковых ферментов - факторов терминации (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляции

а) стадия элонгации;

б) поступления синтезированного белка в эндоплазматическую сеть

В клетке для синтеза белка используется не одна, а несколько рибосом. Такой работающий комплекс иРНК с несколькими рибосомами принято называть полирибосомой . В таком случае синтез белка происходит быстрее, чем при использовании только одной рибосомы.

Уже в ходе трансляции белок начинает укладываться в трёхмерную структуру, а при крайне важно сти в цитоплазме принимает четвертичную организацию.

Рис 7 Роль нуклеиновых кислот в передаче генетической информации

Лексико-грамматические задания:

являться

определяться

кодироваться чем

характеризоваться

называться

Задание №1. Слова и словосочетания, данные в скобках, напишите в правильной форме.

1. Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются (структура специфических белков).

2. Последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепочке определяется (последовательность) нуклеотидов в участке ДНК, котрый принято называть (ген), а последовательность нуклеотидов в ДНК принято называть (генетический код).

3. Каждая аминокислота кодируется (группа из трёх нуклеотидов), которая принято называть (триплет).

4. Генетический код характеризуется (следующие признаки: триплетность, вырожденность, непрекрываемость, линœейность и отсутствие запятых, универсальность).

5. 20 аминокислот кодируются (одни и те же триплеты).

Задание №2. Вместо точек используйте краткие и полные формы причастия, образованные от глаголов кодироваться - закодироваться.

1. Последовательность нуклеотидов в ДНК, ... определённые аминокислоты в молекуле белка, принято называть генетическим кодом.

2. Одна и та же кислота должна быть... несколькими триплетами.

3. 20 аминокислот... одними и теми же триплетами.

4. Различают структурные гены, ... структурные и ферментные белки, а так же гены с информацией для синтеза тРНК и рРНК и др.

5. Следующим этапом реализации генетической информации, ... в гене, является транскрипция.

принципиально (не) отличаются существенно по какому признаку

значительно

По химической организации материала наследственности эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Генетический материал у них представлен ДНК.

Задание№3. Прочитайте часть текста ʼʼРазличие транскрипции у про- и эукариотʼʼ. Расскажите о этапах реализации наследственной информации.

Задание №4. Закончите предложения, опираясь на информацию текста.

1. Наследственный материал прокариот содержится в....

2. Гены прокариот состоят целиком из....

3. Гены эукариот содержат....

4. Транскрипция у эукариот происходит в....

5. Трансляция состоит в переносœе закодированной в иРНК генетической информации в....

6. Трансляция осуществляется в цитоплазме на....

Задание №5. Составьте схему этапов трансляции и расскажите по схеме о поэтапном осуществлении трансляции.

Решение типовых задач

Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причем, у эукариот последовательность нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки про и-РНК. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у прокариот;

б) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у еукариот;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь белок, кодируемый данным участком гена у про- и эукариот.

Тема 9. Ген, его строение и функции.

Известно, что материальными носителями генетической информации являются гены. Ген - элементарная единица наследственности, определяющая развитие какого-либо признака организма. Гены находятся в хромосомах и

занимают определœенное место - локус. С точки зрения молекулярной биологии ген - это участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о синтезе определённого белка. Этапы реализации генетической информации, закодированной в гене, можно представить в виде схемы:

Молекулярные механизмы реализации генетич неской инф ормации

Основные положения теории гена:

1. Ген занимает определённое место (локус) в хромосоме.

2. Ген (цистрон) - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов и представляет собой функциональную единицу наследственной информации. Количество нуклеотидов, входящих в состав различных генов, разное.

3. В пределах одного гена могут наблюдаться рекомбинации (обмен участками. Такие участки цистрона называются реконами.

4. Участки, в которых может изменяться последовательность нуклеотидов, называются мутонами.

5. Существуют функциональные и структурные гены. Структурные гены кодируют синтез белковой молекулы. Различают структурные гены, кодирующие как структурные белки, так и ферментные белки, а также гены с информацией о синтезе тРНК, рРНК и др.

6. Функциональные гены не кодируют белок, а контролируют и направляют деятельность структурных генов.

7. Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах коллинœеарно соответствует расположению аминокислот в молекуле белка.

8. Участки молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к восстановлению, ᴛ.ᴇ. к репарации, в связи с этим, не всœе изменения последовательности нуклеотидов в участке ДНК ведут к мутациям.

9. Генотип состоит из отдельных генов (дискретен), но функционирует как единое целое, т.к. гены способны взаимодействовать, влиять друг на друга. На функцию генов влияют факторы как внутренней, так и внешней среды.

Ген имеет ряд свойств:

Дискретность действия;

Стабильность (постоянство);

Передача наследственной информации в неизменяющемся виде, при отсутствии мутации;

Лабильность (изменение) генов, связана с их способностью к мутациям;

Специфичность - каждый ген обуславливает развитие определённого признака;

Плейотропия - один ген может отвечать за несколько признаков;

Экспрессивность - степень выраженности признака;

Пенентратность - частота проявления гена среди его носителœей.

Геном человека содержит около 30 тысяч различных генов. Одни из них активны, другие - заблокированы. Весь объём генетической информации находится под строгим контролем регуляторных механизмов. Все гены взаимосвязаны между собой, образуя единую систему. Регуляция их активности осуществляется по сложным механизмам.

Сюда включаются процессы регуляции активности генов на этапах транскрипции (до, во время, после неё), трансляции (до, во время, после неё), а также согласованной каскадной групповой регуляции работы генов (их экспрессии), участии в данном процессе гормонов (сигнальных веществ), химической модификации ДНК (рис.8).

Рис. 8. Схема регуляции транскрипции структурных генов у прокариотической клетки по типу индукции.

Экспрессия (проявление активности гена) отдельного гена зависит от того, в каком состоянии данный ген находится. По этой причине существует различная пене нтрантности (процентное количественное фенотипическое проявление

гена) и экспрессивности (степень выраженности гена). Эти понятия были впервые введены в генетику М.В.Тимофеевым-Рессовским. Конкретный генотип человека определяется фенотипической степенью выраженности патологического признака, детерминированным определœенным геном (экспрессивностью), даже вплоть до отсутствия клинической картины патологии при наличии в генотипе мутантных аллелœей.

Лексико-грамматические задания:

Задание №1. Замените придаточные определительные причастным оборотом.

1. Ген - единица наследственности, которая определяет развитие какого-либо одного признака.

2. Гены, которые находятся в хромосомах, занимают определённое место - локус.

3. Реализацию информации, которая закодирована в гене, представляют в виде схемы.

4. Ген - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов.

5. Количество нуклеотидов, которые входят в состав различных генов, разное.

Задание №2. Замените пассивные конструкции активными.

1. Синтез белковой молекулы кодируется структурными генами.

2. Деятельность структурных генов контролируется и направляется функциональными генами.

что влияет на что Гены способны влиять друг на друга. на функцию чего влияют факторы внутренней и внешней среды

Задание №3. Напишите предложения, раскрывая скобки.

1. Экзонные участки генов кодируют (первичная структура белка).

2. Интронные участки гена играют (структурная, вспомогательная роль).

3. Ген - часть молекулы ДНК, которая представляет собой (функциональная единица наследственной информации).

Задание №4. прочитайте часть текста об базовых положениях теории генов и напишите определœения: а) локуса, б) реконов, в) мутонов.

Задание №5. Используя данную информацию, закончите фразы.

1. Стабильностью принято называть 1.... передавать наследственную свойство генов... информацию в неизменяющемся

2. Лабильность генов - это... 2.... степень выраженности

признака.

3. Пенентральность генов - это 3.... частота проявления гена

среди его носителœей.

4. Экспрессивность генов - ... 4.... связана с их способностями к

мутациям

Решение типовых задач

1. Участок структурного гена имеет следующую последовательность нуклеотидов:

АТА-ЦИА-А1^-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА

АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь про-иРНК, транскрибируемая с этого участка;

б) известно, что кодоны 3,4,5,9,10,11,12 у про-иРНК входит в состав интронов. Какую последовательность будет иметь иРНК;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь фрагмент белка, кодируемый указанным участком гена;

г) напишите, какие антикодоны должны быть у тРНК, обеспечивающих синтез данного фрагмента белка.

2. Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Следует отметить, что последовательности нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки у эукариот. Определите:

а) последовательность нуклеотидов в первичном транскрипте у еукариот;

б) как принято называть созревание иРНК? Определите нуклеотидную последовательность в иРНК.

в) какое различие в последовательности аминокислот в белках у прокариот и еукариот. Объясните причину этого различия.

Этапы реализации генетической информации - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Этапы реализации генетической информации" 2017, 2018.

Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:

1. Транскрипция.

2. Трансляция.

Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.

Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.

Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.

Транскрипция

Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.

Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).

Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.

В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.

По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.

Трансляция

Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.

В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация.

На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.

Элонгация

— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.

Терминация

– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.

Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.

Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.

Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.

Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.

Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.

В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.

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.

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?

1. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации? Выберите один правильный ответ:

ген→иРНК→белок→признак,

Признак →белок →иРНК→ ген→ ДНК,

ИРНК→ ген→белок→признак,

Ген→ ДНК →признак →белок.

2. Белок состоит из 50 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в гене? 3. Белок состоит из 130 аминокислот. Установите число нуклеотидов в иРНК и ДНК, кодирующих данный белок, и число молекул тРНК, которые необходимы для синтеза данного белка. Ответ поясните.

4. Белок состоит из 70 аминокислот. Установите, во сколько раз молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок, превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса аминокислоты – 110, а нуклеотида – 300. Ответ поясните.

6. Согласно указаниям наследственной информации клетка синтезирует белок, в начале которого соединены аминокислоты в такой последовательности: лейцин - гистидин - аспарагин - валин - лейцин - триптофан - валин - аргинин - аргинин - пролин - треонин- серин - тирозин - лизин - валин... Определите иРНК, управляющую синтезом указанного полипептида.

7. Какой триплет соответствует антикодону ААУ на тРНК?

8. Фрагмент цепи иРНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГАГУАУГЦУГГ. Определите последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот, которая соответствует данному фрагменту гена.

митоз,мейоз:

1. Во время аномального митоза в культуре ткани человека одна из коротких хромосом (№21) не разделилась, а целиком ушла в одну из дочерних клеток. Какие наборы хромосом будет нести каждая из дочерних клеток?

2. В соматической клетке растения 16 хромосом. Одна из клеток вошла в митоз, но на стадии анафазы веретено деления было разрушено колхицином. Клетка выжила, закончила митоз. Определите количество хромосом и ДНК в этой клетке на всех стадиях следующего клеточного цикла?

3. В процессе мейоза одна из гомологичных хромосом человека не поделилась (нерасхождение). Сколько хромосом содержит каждая клетка, образовавшаяся в результате такого мейоза?

4. В клетке животного диплоидный набор хромосом равен 46. Определите количество молекул ДНК перед мейозом, после первого и после второго деления?

5. Клетка гонады перед мейозом имеет генотип ааВвСС. Напишите генотипы клеток:

а) для всех стадий сперматогенеза;

б) для всех стадий овогенеза.

6. Сколько яйцеклеток могут дать 500 овоцитов I порядка? 500 овоцитов II порядка? Ответ поясните схемой овогенеза.