Этапы реализации генетической информации. Особенности реализации наследственной информации у эукариот

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

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.

1.5. Этапы реализации генетической информации в клетке

Принципиально важным свойством генетической информации является ее способность к переносу (передаче) как в пределах одной клетки, так и от родительской клетки к дочерним либо между клетками разных индивидуумов в процессах клеточного деления и размножения организмов (см. также гл. 3). Что касается направлений внутриклеточного переноса генетической информации, то в случае ДНК-содержащих организмов они связаны с процессами репликации молекул ДНК, т.е. с копированием информации (см. подразд. 1.2), либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов (трансляцией) (рис. 1.14). Как известно, каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.

Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК → РНК → белок 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 у РНК-содержащих вирусов. 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 (ревертазы), 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 по программе ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3"→ 5", переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5" → 3" на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 1.15). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке, — матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).

Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК.

Транскрипция подразделяется на три основные стадии — инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса).

Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, 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 (см. также подразд. 1.6). Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5"-ТАТААТ-3" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 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. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.

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 однонитевого 3"-5"-фрагмента ДНК.

Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и большего числа полипептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. 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.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. 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 мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В качестве примера можно рассмотреть схему процессинга мРНК, синтезируемой при транскрипции гена β-глобиновой цепочки (рис. 1.16), структура которого обсуждалась ранее (см. рис. 1.13).

В процессинге принимают участие и 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 гяРНК 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 интронов из гяРНК.

Во время процессинга происходит также модификация 5"-и 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах

процессинга гена β-глобина человека (см. рис. 1.16) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса. Как видно из рис. 1.17, на 5"-конце последовательности имеется короткий нетранслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком "минус". Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона β-гена (заштрихована на рис. 1.16). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap — колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью три-фосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Модификация 3 "-конца мРНК β-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона β-гена (см. рис. 1.16), связана с образованием полиаденилового (поли А) "хвоста" молекулы, состоящего из 100 — 200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на 3"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (см. рис. 1.17). 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.

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"). Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) практически находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи 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 их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и

Рис. 1.17. Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК -глобинового гена человека. Последовательность начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУГ) выделен шрифтом и помечен цифрой 0, поскольку кодируемая им аминокислота (метионин) в дальнейшем выщепляется из полипептида (первой аминокислотой зрелого белка будет валин, кодируемый ГУГ). Выделены также стоп-кодон УАА (кодон 147), на котором заканчивается трансляция (полипептид состоит из 146 аминокислот), и сигнальная последовательность для полиаденилирования (ААУААА) на 3"-конце транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии — инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации трансляции принципиально важное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются 2 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 5). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с величинами 505 и 305 соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы имеют другие размеры (605 и 405). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то чаще всего его рассматривают в связи со структурой рибосом этих организмов. Как видно из рис. 1.18, рибосома содержит 2 участка, имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенные как P-участок (аминоацильный) и Р- участок (пептидильный), специфичность которых определяется сочетанием соответствующих областей субъединиц 505 и 305. При диссоциации субъединиц рибосомы эти участки становятся "недостроенными", что приводит к изменению их функциональной специфичности.

В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме "клеверного листа", содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на 3"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.7). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-

синтетазы с использованием энергии аденозинтрифосфатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс тРНК и аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Инициация трансляции обеспечивается точным соединением лидирующего 5"-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в "недостроенном" Р-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы (рис. 1.19). Функциональная особенность такого Р-участка 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 пояипептида всегда начинается с N-конца и нарастает 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 ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 1.17).

После образования инициирующего комплекса в "недостроенном" Р-участке (см. рис. 1.19) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к "достраиванию" Р-участка и A-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать A-участок на основе принципа

комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (см. рис. 1.19).

Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -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.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в Л-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5"-конец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой полисомной группы, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.

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 (рис. 1.20). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной структуры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека (рис. 1.21), состоящей из

двух α-цепочек и двух β-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей. Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу тема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

Базисные термины и понятия: акцепторный конец тРНК; аминоацил-тРНК; антикодон; гяРНК (про-РНК); инициация транскрипции и трансляции; инициирующая аминоацил-тРНК и аминокислота; инициирующий кодон мРНК; комплементарность; кэп; лидирующий 5"-конец мРНК; матричность; модификация концов молекулы мРНК; моногенная молекула мРНК; мРНК (иРНК); мяРНК; обратная транскриптаза (ревертаза); обратная транскрипция; общий перенос; перенос (передача) информации; полигенная молекула мРНК; полипептид; полирибосома (полисома); посттрансляционная модификация полипептида; промотор; процессинг РНК и полипептида; рибосома; РНК-полимераза; рРНК; специализированный перенос; сплайсинг; стартовая точка транскрипции; терминатор; терминация транскрипции и трансляции; транскрипт; транскрипция генетической информации; трансляция генетической информации; тРНК; элонгация транскрипции и трансляции; A-участок рибосомы; Р-участок рибосомы.

1. Дайте определения понятий.
Генетический код – набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка.
Триплет – три стоящих подряд нуклеотида.
Антикодон – участок в тРНК, состоящий из трех неспаренных нуклеотидов, специфически связывающийся с кодоном мРНК.
Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках.
Трансляция – процесс синтеза белка из аминокислот на матрице иРНК (мРНК), осуществляемый рибосомой.

2. Сравните понятия «генетическая информация» и «генетический код». В чем их принципиальные отличия?
Генетическая информация – информация о строении белков, закодированная с помощью последовательности нуклеотидов – генетического кода – в генах.
Иными словами, генетический код – принцип записи генетической информации. Информация – это сведения, а код – это то, как сведения передаются.

3. Заполните кластер «Свойства генетического кода».
Свойства: триплетность, однозначность, избыточность, неперекрываемость, полярность, универсальность.

4. В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?
Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырожденность кода).
Такая избыточность повышает надежность кода и всего механизма биосинтеза белка.

5. Объясните, что такое реакции матричного синтеза. Почему их так называют?
Это синтез сложных полимерных молекул в живых клетках, происходящий на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез происходит при репликации ДНК, при транскрипции и трансляции. Он лежит в основе процесса воспроизведения себе подобного.

6. Зарисуйте схематично молекулу тРНК и подпишите ее основные части.

7. Заполните таблицу.

РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА

8. Одна из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
Ц-Т-Т-А-А-Ц-А-Ц-Ц-Ц-Ц-Т-Г-А-Ц-Г-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-Г-Г-Ц-Ц-Г
Напишите структуру иРНК, синтезированной на этой цепи. Каким будет аминокислотный состав фрагмента белка, синтезированного на основе этой информации в рибосоме?
иРНК
Г-А-А-У-У-Г-У-Г-Г-Г-Г-А-Ц-У-Г-Ц-А-Ц-У-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Г-Г-Ц-
Полипептидная цепь
Глу-ле-трп-гли-лей-гис-цис-ала-гли.

9. Изобразите схематично процесс синтеза белка.

10. Заполните таблицу.

ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ

11. Прочитайте § 2.10 и подготовьте ответ на вопрос: «Почему расшифровка генетического кода является одним из важнейших научных открытий современности?»
Расшифровка генетического кода, т. е. определение «смысла» каждого кодона и тех правил, по которым считывается генетическая информация, считается одним из наиболее ярких достижений молекулярной биологии.
Доказано, что код универсален для живого. Открытие и расшифровка кода может помочь найти пути лечения различных хромосомных, геномных заболевания, изучить механизм процессов обмена веществ на клеточном и молекулярном уровне.
Стремительно накапливается огромное количество экспериментальных данных. Начался новый этап изучения ДНК. Молекулярная биология обратилась к гораздо более сложным надмолекулярными и клеточным системам. Оказалось возможным подойти к проблемам, связанным с молекулярной генетикой эукариот, с явлениями онтогенеза.

12. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Синтез белка не может происходить:
2) в лизосоме;

Тест 2.
Транскрипция - это:
3) синтез иРНК на ДНК;

Тест 3.
Все аминокислоты, входящие в состав белка, кодируются:
4) 64 триплетами.

Тест 4.
Если для синтеза белка взять рибосомы морского окуня, ферменты и аминокислоты серой вороны, АТФ прыткой ящерицы, иРНК дикого кролика, то будет синтезироваться белок:
4) дикого кролика.

13. Установите соответствие между свойствами генетического кода и их характеристиками.
Свойства генетического кода
1. Триплетность

3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность
Характеристика
A. Каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета
Б. Генетический код одинаков у всех живых организмов Земли
B. Одну аминокислоту кодируют три стоящих подряд нуклеотида
Г. Некоторые триплеты определяют начало и конец трансляции
Д. Каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту
Е. Аминокислота может определяться более чем одним триплетом.

14. Вставьте недостающий элемент.
Нуклеотид – Буква
Триплет – Слово
Ген – Предложение

15. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

16. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – транскрипция.
Соответствие – термин соответствует первоначальному значению, так как идет перенос генетической информации с ДНК на РНК.

17. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.10.
Генетическая информация у живых организмов записан при помощи генетического кода. Код – это набор сочетаний из трех нуклеотидов (триплетов), кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка. Код обладает свойствами:
1. Триплетность
2. Вырожденность (избыточность)
3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность.
Процессы, при помощи которых синтезируются сложные полимерные молекулы в живых клетках, происходят на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез – это репликация ДНК, транскрипция и трансляция.

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.