Експресія генів і її регуляція 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Експресія генів і її регуляція



 

Механізми генної експресії. Поняття про експресію генів. Сучасний стан центральної догми молекулярної генетики. Властивості генетичного коду. Етапи біосинтезу білка. Ферментатівниє механізми і етапи транскрипції. Процесинг первинних транскриптов. Альтернативний процесинг, РНК-редактирование. Активація амінокислот. Молекулярна організація рибосом. Ініціація, элонгация і терминация синтезу полипептидной ланцюжка. Трансляція поста модифікація білків.

Регуляція експресії генів. Регуляція експресії генів у прокариотов. Катаболічні і анаболізм оперони бактерій. Контроль експресії генів у эукариотов. Регуляція на рівні процесів транскрипцій. Білки – чинники транскрипції. Поняття про эпигенетической регуляцію експресії генів. Метілірованіє ДНК, імпринтінг генома. Гормональна регуляція експресії генів. Контроль на рівні трансляції і процесів трансляцій поста.

 

Механізми генної експресії. Хоча не всі клітки ссавця виглядають і поводяться однаково, вони мають ідентичний генетичний матеріал. Сьогодні ми знаємо, що близько 200 різних клітинних фенотипов в організмі людини відрізняються тим, які гени в них экспрессируются, а також сигналами, що визначають час експресії певного гена або набору генів.

Генна експресія – це сукупність молекулярних механізмів реалізації спадкової інформації, завдяки яким ген проявляє свій потенціал в конкретній фенотипічній ознаці організму.

Процес експресії гена складається з декількох етапів:

 

 

 

Кожен етап, у свою чергу, має початок (ініціація), продовження (элонгация) і кінець (терминация), де також здійснюється контроль генної експресії *

 

а) на основі гена ДНК синтезується про-мРНК. Перший етап експресії називається «транскрипцією»; б) крупна молекула про-мРНК піддається «процесингу», в результаті цього значно зменшується в розмірах. Утворюється «зріла» мРНК, прочитування інформації з якою спрощується. Біологічний сенс процесингу - полегшення доступу до генетичної інформації; у) мРНК за участю тРНК «вибирає» необхідні амінокислоти, які зв'язуються на рибосоме в строго певну послідовність поліпептиду. Процес перенесення інформації з мРНК на поліпептид називається «трансляцією»; г) синтезований поліпептид піддається «модифікації» і перетворюється на активний білок; д) функціонуючи, білок робить свій внесок в морфологічну або функціональну ознаку (фенотип) клітки або організму. Це процес називається «експресією».

 

 

Ріс.18. Схема етапів експресії гена Я - цenu гемоглобіну

 

Схема механізму експресії представлена на рис.18 на прикладі експресії гена в-цепи гемоглобіну. В процесі транскрипції бере участь не тільки смислова частина гена, але і інші регуляторні і структурні частини. Утворювана про-мРНК містить всі елементи, характерні для гена ДНК. Процесинг істотно модифікує про-мРНК, яка перетворюється на мРНК і містить набагато менше структурно-функціональних елементів. На основі мРНК трансляція створює молекули абсолютно іншої природи — поліпептиди, нічого що не мають загального з нуклеїновими кислотами і абсолютно іншими властивостями, що володіють, і організацією. Модифікація поліпептидів приводить до ще одного природного явища — появи складної просторової організації молекули білка. Відбувається перехід лінійної інформації ДНК і РНК в просторову організацію протеїну, яка, у свою чергу, є основою специфічної просторової взаємодії молекул в живому організмі, що і лежить в основі життя і всіх життєвих явищ. В даному випадку процес модифікації забезпечує просторову організацію – об'єднання чотири субъединиц гемоглобіну в єдиний комплекс. В результаті всіх етапів експресії виявляється ознака — здібність до транспорту газів (О2 і Со2).

Сучасний стан центральної догми молекулярної біології. Хромосомна ДНК містить повну інформацію про всіх білок, що синтезуються в клітці. Ця інформація закодована в ДНК у вигляді особливої послідовності азотистих підстав, званої генетичним кодом. Специфічна послідовність нуклеотидов гена транскрибируется в мРНК і потім транслюється на рибосомах, забезпечуючи строгий порядок амінокислот в полипептидной ланцюзі. Уявлення про те, що інформація зберігається в ДНК і реалізується шляхом її передачі від ДНК до мРНК, а потім до поліпептиду, а при розмноженні шляхом реплікації з одного покоління в інше, вважається основною догмою (основним законом) молекулярної біології. Вона була запропонована Ф. Кріком в 1958 р. Схематично її можна представити таким чином:

 

Реплікація транскрипція трансляція
ДНК > ДНК > РНК > Білок

 

 

У 1970 р. Темін повідомив про те, що РНК, що функціонує як генетичний матеріал в деяких вірусах, може синтезувати комплементарну копію ДНК для впровадження в геном клітки-господаря. Значить, у вірусів інформація поступає не обов'язково від ДНК до РНК, але може також і від РНК до ДНК (зворотна транскрипція). Здійснюється вона за допомогою ферментів — ревертаз (лат. rever-sio — повернення). Це властивість нуклеїнових кислот використовується в генній інженерії.

Передача інформації «заборонена» від білків назад до нуклеїнових кислот. Це означає, що модифікації білків - генних продуктів не успадковуються. Центральна догма відкидає ламаркізм. Всі типи передачі генетичній інформації здійснюються на основі комплементарних міжмолекулярних взаємодій: А=т, Ц=г.

Проте історія з клонуванням в 1996 році знаменитої нині овечки Доллі в шотландській фірмі PPL Therapeutics (комерційного відділення Розлін Інституту в Едінбургу) дозволяє поглянути на центральну догму зовсім інакше. Колектив учених, очолюваний Іеном Уїлмутом, продемонстрував, що їм вдалося, використовуючи соматичні клітки дорослої тварини, отримати клональное тварина. Це означає, що біологічний годинник може бути повернені назад, і розвиток організму може початися з генетичного матеріалу дорослої диференційованої клітки, що повністю противоречит раніше загальноприйнятій біологічній догмі.

Властивості генетичного коду. Унікальність різноманітних кліток обумовлена унікальністю їх білків. Клітки здатні синтезувати індивідуальні білки за рахунок використання інформації, записаної в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особливої послідовності азотистих підстав нуклеотидов в нитках ДНК і називається генетичним кодом. Порядок азотистих підстав в мРНК, яка побудована по матриці ДНК, визначає порядок скріплення амінокислот в поліпептиді, що синтезується (табл.3). Кожна амінокислота кодується послідовністю трьох азотистих підстав (триплетом, або кодоном). Таким чином, генетичний код є певною строгою послідовністю триплетів в молекулі ДНК, контролюючу порядок розташування амінокислот в молекулах білків.

У ДНК є чотири підстави, а в білках-20 амінокислотних залишків; синглетный код міг би кодувати тільки чотири амінокислотні залишки, дублетний-4-4 = 16 амінокислот, а триплетный утворює 4 - 4 • 4 = 64 разных кодону.

Код не перекривається, тобто в послідовності підстав Авсdеfgнi перші три підстави, АВС, кодують амінокислоту 1, DЕF- амінокислоту 2 і так далі Якби код був таким, що перекривається, то послідовність АВС кодувала б амінокислоту 1, СDЕ-аминокислоту 2 і так далі Характер коду, що не перекривається, відноситься тільки до випадку, коли рамка прочитування не міняється. У коді відсутні коми, тобто немає знаків, що відокремлюють один кодон від іншого.

Напрям читання закодованому запису - від 5'-конца до З'-концу мРНК, транскриптом, що є «+»-цeпи ДНК, ліченій з неї у напрямі 5' -» 3'. Перший з 5'- кінця кодон відповідає N-концевой амінокислоті полипептидной ланцюга. Отже, білки синтезуються від N-конца до С-концу.

 

 

Табл.3. Генетичний код

 

Таблиця коду указує, яка амінокислота кодується тим або іншим кодоном. У таблиці 5 перший (з 5'-конца) нуклеотид поміщений в лівому стовпці, другий - у верхньому рядку, а третій (на 3'-конце) -в правому стовпці. З представлених в таблиці 64 кодонів 61 кодон детермінує ту або іншу амінокислоту (наприклад, Сuа відповідає лейцину Lеu), а три останніх кодону є сигналами терминации. Ці три кодони називаються нонсенсом-кодоном, оскільки вони не визначають ніякої амінокислоти. Крім цього, коли кодони Аug для Меt і іноді GUG для Vаl знаходяться на початку послідовності і відповідні амінокислоти повинні бути поміщені на початку білкового ланцюга, ці амінокислоти зазвичай присутні у вигляді N-формильных похідних. Коли ж ці кодони знаходяться в будь-якому іншому місці послідовності, то в пептидний ланцюг включаються нормальні Меt і Vаl.

Код вироджений, тобто більшість амінокислот кодуються більш ніж одним кодоном. Наприклад, Рhе кодується двома кодонами -UUU і UUС. Кодони, які визначають одну і ту ж амінокислоту, називаються кодонами- синонімами. Вирожденность коду, як правило, виражається в тому, що у кодонів, що визначають одну і ту ж амінокислоту, перші дві підстави фіксовано, а третє положення може займати одне з двох, три або чотирьох різних підстав. Зокрема, кодони з одним з двох пиримидинов (З або U) в третьому положенні завжди є синонімами, тоді як кодони з одним з двох пуринів (А і G) в третьому положенні бувають синонімами лише іноді. Відмінності по всіх трьом положенням спостерігаються лише в деяких випадках (наприклад, UСG і Аgu обидва кодують Sеr).

Кожна тРНК може дізнаватися до трьох кодонів. Хімічні властивості різних амінокислот знаходять віддзеркалення в структурі коду. Всі кодони з U в другому положенні кодують амінокислоти з гидрофобной бічним ланцюгом (Рhе, Lеu, Не, Меt і Vаl). Якщо виключити кодони, що термінують, то наявність А в другому положенні визначає полярний або заряджений бічний ланцюг (Тугий, Нis, Glп, Аsп, Lуs, Аsр і Glu). Рамка прочитування задає положення першої підстави кодону мРНК (або гена). Оскільки код триплетен, число можливих рамок прочитування рівне трем. Зазвичай функціональний білок синтезується тільки при одній рамці прочитування, але деякі віруси використовують дві або навіть три рамки прочитування, при цьому синтезуються різні білки.

Мутация- це зміна в послідовності підстав генетичного матеріалу даного організму. Знання генетичного коду дозволяє пояснити ефект деяких мутацій.

Мутация-, що мовчить, це така зміна в нуклеотидной послідовності, яка приводить до утворення синонімічного кодону, і в результаті амінокислотна послідовність кодованого білка не змінюється. Структура коду така, що мутації, що мовчать, часто бувають, обумовлені змінами підстав лише в третьому положенні кодону.

Заміна (миссенс-мутация) веде до заміщення однієї амінокислоти інший в результаті такої зміни послідовності підстав, яке не приводить до утворення синонімічного кодону. Так, захворювання серповидно-клітинна анемія виникає в результаті заміни Glu на Vаl в шостому положенні Я-цепі гемоглобіну людини. Це обумовлено зміною кодону GАА на GUА, тобто заміною А на U в другому положенні.

Мутація із зрушенням рамки обумовлена вставкою або видаленням (делецией) одного або більшого числа підстав в послідовності, так що при цьому змінюється рамка прочитування. Це приводить до зміни амінокислотній послідовності білка від точки мутації до С-конца молекули.

Універсальність генетичного коду означає, що все живі организмы-эукариоты, прокариоты і віруси - використовують один і той же код. Хоча, взагалі кажучи, це положення справедливе, проведені порівняно недавно (1981 р.) визначення нуклеотидной послідовності мітохондріальної ДНК людини і дріжджів виявили деякі незвичайні факти. Наприклад, триплет UGА не є кодоном, що термінує, а кодує Тгр, а триплети Аgа і Аgс не кодують Аrg, а є терминаторами.

Генетичний код був розшифрований на початку 60-х років Ніренбергом, Кораной і їх співробітниками. Ніренберг отримав клітинний екстракт Е. соli, що містив всі компоненти, необхідні для синтезу білка, включаючи рибосомы, все тРНК і аминоацил-тРНК-синтетазы. У систему додавали полінуклеотид poly(U) (тобто UUUUU UU...), що функціонував як штучна мРНК. Виявилось, що poly(U) детермінує синтез poly(Phe) (тобто Рhе Рhе Рhе...); отже, триплет UUU кодує Рhе. Аналогічні досліди показали, що триплет ССС кодує Рrо, а триплет Ааа-lуs. Наступний крок полягав у використанні полирибонуклеотидов, що містили два, три або чотири разных підстави, розташованих у випадковому порядку. В результаті цих досліджень вдалося визначити склад інших кодонів, але не послідовність підстав в них; так, було показано, що кодон, 2U, що містить, і 1G, детермінує Суs, але порядок підстав залишався невідомим. Корану використовував полирибонуклеотиды не з випадковою, а із заздалегідь заданою послідовністю і визначив структуру декількох кодонів. Ці дослідження отримали подальший розвиток за допомогою іншого підходу, розробленого Ніренбергом. Він виявив, що тринуклеотиды викликають пов'язання специфічних аминоацил-тРНК з рибосомой. Наприклад, у присутності UGU з рибосомой зв'язується тільки аминоацил-тРНК для Суs. Отже, UGU кодує Суs. Три кодони, UАА, UАG і UGА, не кодують ніяких амінокислот і визначають терминацию синтезу.

 

 

Ріс.19. Схема організації генетичного коду і процесу реалізації спадкової інформації: 1 — ДНК, 2 — мРНК, 3 — поліпептид.

 

Строга послідовність нуклеотидов в молекулі ДНК кодує певну послідовність нуклеотидов в мРНК. Кожен триплет нуклеотидов кодує одну конкретну амінокислоту. В результаті трансляції, на основі генетичного коду, на рибосомах синтезується необхідний білок (рис.19).

Таким чином, генетичний код ДНК має наступні фундаментальні характеристики:

Тріплетность. Три азотисті підстави, що є сусідами, звані кодоном, кодують одну амінокислоту.

Специфічність. Кожен окремий триплет кодує тільки одну певну амінокислоту.

Неперекриваємость. Азотиста підстава певного триплета ніколи не входить до складу іншого кодону.

Відсутність розділових знаків. Генетичний код не має «відміток пунктуацій» між кодуючими триплетами в структурних генах.

Універсальність. Кодон в ДНК або мРНК визначає одну і ту ж амінокислоту в білкових системах всіх організмів від вірусу до людини.

Надмірність. Одна амінокислота часто має більш ніж один кодовий триплет.

Коллінеарность. ДНК — лінійний полинуклеотидная ланцюг, а білок — лінійна полипептидная. Послідовність амінокислот в білці відповідає послідовності триплетів в його гені (у прокариот).

Однонаправленість — процес прочитування інформації генетичного коду з матричного ланцюга молекули ДНК йде тільки в одному напрямі — від 5 '- кінця до 3 '-концу.

Етапи біосинтезу білка. Транскрипція ДНК і процесинг РНК. Транскрипція - процес перенесення генетичної інформації від ДНК до РНК. Всі види РНК- мРНК, рРНК і тРНК - синтезуються відповідно до послідовності підстав в ДНК, матрицею, що служить. Транськрібіруєтся тільки одна, так звана «+» - ланцюг ДНК. Процес транскрипції у прокариот і эукариот істотно розрізняється.

Транскрипція у прокариот. ДНК-ЗАВІСИМАЯ РНК-полімераза - це фермент, що каталізує синтез РНК. Він складається з 4 субъединиц. Їх комплекс називається холоферментом. Для ініціації транскрипції необхідні холофермент, нуклеозидтрифосфат (завжди АТР або GTP) і наявність спеціальної ділянки в ДНК, званого промотором. Коли полимераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплітання подвійної спіралі ДНК і утворюється відкритий промоторний комплекс.

Промотор- це ділянка молекули ДНК, що має розмір близько 40 пар підстав і розташований безпосередньо перед ділянкою ініціації транскрипції. Синтез РНК завжди починається з підстав А або G в «+»- ланцюги ДНК. Ділянка скріплення холофермента розташована вище за сайт ініціації (тобто у напрямі 3' -> 5' в «+»-цепи) на відстані приблизно 10 підстав. Якщо порівняти послідовності підстав «+»-цепи ДНК у разных промоторов, то ми виявимо, що вони вельми близькі, хоча і не ідентичні. Ця так звана послідовність Прібнова має вид Татрuатрu, де Рu означає пурин (А або G). Таким чином, холофермент зв'язується із специфічною послідовністю або групою послідовностей. Зазвичай на відстані близько 40 підстав вище ділянки ініціації знаходиться друге місце скріплення РНК-полімерази.

Елонгация ланцюга РНК- це та стадія транскрипції, яка наступає після приєднання приблизно восьми рибонуклеотидов. У цей момент РНК-полімераза зазнає деякі структурні зміни, при якому від комплексу відділяється одна субъединица, а що залишаються три (кор-фермент) каталізують подальше подовження ланцюга РНК. При цьому до ланцюга приєднуються ті рибонуклеотидтрифосфаты, які забезпечують правильне спаровування з «—»- ланцюгом ДНК. Рухомий уздовж ДНК кор-фермент діє подібно до застібки-блискавки, «розкриваючи» подвійну спіраль, яка замикається позаду ферменту у міру того, як відповідні підстави РНК злучаються з підставами ДНК в «—»-цeпи. «Розкрита» ферментом область тягнеться тільки на декілька пар підстав. Термінация (припинення зростання) ланцюга РНК відбувається на специфічних ділянках ДНК, званої терминаторами. Початок цих ділянок зазвичай збагачений GС-парами, а решта послідовності -АТ-парами. GС-богатый ділянка часто є палиндром. Це означає, що при русі уподовж «+»-цeпи в одному напрямі, а уподовж «—»-цeпи- в протилежному, читається одна і та ж послідовність підстав. У зупинці синтезу РНК саме на терминаторе важливу роль грає р-белок.

Процесинг транскрипції поста - це процес дозрівання, при якому первинний Рнк-транськріпт модифікується і перетворюється на зрілу РНК. Характер і ступінь модифікації РНК залежать від типу РНК.

Молекули мРНК у прокариот не піддаються процесингу. У деяких бактерій транскрипція і трансляція зв'язані, тобто відбуваються одночасно. 5'-конец мРНК може транслюватися на рибосоме і потім піддаватися деградації ще до завершення синтезу її З'-конца. Молекули тРНК спочатку синтезуються у вигляді про-тРНК, яка приблизно на 20% довше, ніж відповідна тРНК. Зайві послідовності, розташовані у 5'- і З'-концов, віддаляються за допомогою таких ферментів, як рибонуклеазы Q і Р. Іногда молекула про-тРНК складається з двох або більш за молекули тРНК, сполучених між собою. Їх розділення також здійснюється за допомогою рибонуклеаз. Якщо З'-конец тРНК не несе кінцевої послідовності ССА, то ці підстави приєднуються при синтетичній для поста модифікації. Всі тРНК містять мінорні підстави, які є хімічно модифікованими формами чотирьох головних підстав (А, З, G і U). Ця модифікація відбувається після завершення транскрипції.

Гени рРНК прокариот розташовані в блоках транскрипцій. Три гени рРНК Е. соli (16S, 23S і 5S) розташовуються разом з генами декілька тРНК в одному такому блоці і транскрибируются у вигляді однієї молекули РНК. Ці молекули рРНК і тРНК відокремлені один від одного спейсерной РНК. Розщеплювання первинного транскрипта на окремі складові каталізує рибонуклеаза Q; оскільки цей фермент специфічний до двухцепочечной РНК, припускають, що в області спейсеров утворюються двухцепочечные шпильки, які фермент дізнається і вирізує.

Транскрипція у эукариот. У эукариот для транскрипції використовуються три ДНК-ЗАВІСИМИХ РНК-полімерази. Полімераза I локалізована в ядерці, де вона каталізує синтез рРНК у вигляді великого первинного транскрипта, що містить молекули рРНК 18S, 5,8S і 28S. Полімераза II знаходиться в нуклеоплазме і, ймовірно, бере участь в синтезі первинного транскрипта мРНК. Полімераза III також локалізована в нуклеоплазме і бере участь в синтезі тРНК і 5S-pPHK.

Синтез РНК (мал. 20) включає стадії ініціації, элонгации і терминации, але в цих процесах часто беруть участь інші ферменти і послідовності підстав, чим у прокариот. Наприклад, промоторні послідовності у эукариот відрізняються від таких у прокариот. Проте першими підставами, що включаються в РНК при ініціації, є, як і у прокариот, А або G.

Молекули мРНК зазвичай утворюються з великих за розміром молекул-попередників, званих гетерогенною ядерною РНК (гяРНК). Для утворення зрілої мРНК ці молекули піддаються модифікації по 5'- і З'-концам і сплайсингу. Після такої модифікації транскрипты переносяться з ядра в цитоплазму.

 

 

Ріс.20. Схема синтезу мРНК

 

Сплайсинг мPHK-это видалення послідовностей РНК, відповідних интронам ДНК, і з'єднання ділянок, які транскрибированы з кодуючих послідовностей (экзонов). Місце сплайсинга повинне бути визначене з високою точністю, оскільки помилка навіть в одну підставу приведе до синтезу білка з неправильною амінокислотною послідовністю. Така специфічність сплайсинга забезпечується строго певною послідовністю підстав в интроне, що відповідає зазвичай підставам GU або GА на початку відповідної РНК і підстав Аg-в кінці.

Модифікація 5'-конца мРНК приводить до утворення особливої послідовності, званою кэп-структурой. При модифікації З'-конца до нього приєднується послідовність poly(A) довжиною 150-200 нуклеотидов.

Завдяки альтернативному сплайсингу число білкових продуктів, що синтезуються, очевидно, в 1,5-2 рази більше, ніж число генів. Явище альтернативного сплайсинга полягає в наступному. З одного і того ж первинного Рнк-транськріпта в процесингу РНК в різних тканинах утворюється не один, а декілька разных по довжині мРНК-транскриптов. Відповідно синтезовані поліпептиди також будуть різними. Таким чином, одна і та ж ДНК-послідовність може кодувати не один, а декілька різних поліпептидів.

Роль сплайсинга:

Створення нових генів в ході еволюції.

Повніше економічне використання записаної в геномі інформації.

Регуляція активності генів.

Мутації, що ведуть до порушення сплайсинга на межі экзон-интрон (усередині интрона вони бесследны) грають істотну роль у виникненні ряду спадкових хвороб людини. Очевидно, що раз вони так сильно міняють функціональну організацію гена, то їм може належати істотна роль в е р б процесах створення нових генів в ході еволюції.

Процесинг тРНК у эукариот протікає приблизно по такому ж механізму, як і у прокариот. Функціонально активні молекули утворюються з довшого попередника, який піддається розщеплюванню і модифікації з включенням мінорних підстав.

Процесинг рРНК також аналогічний відповідному процесу у прокариот. Первинний транскрипт містить ділянки, 18S-, що відповідають, 5,8S- 28S-pPHK, розділені спейсерами. Як і у прокариот, ці три рРНК утворюються при розщеплюванні спейсерных послідовностей.

Молекулярна організація рибосом. Суб'едініци рибосом утворюються в ядерці, а потім через ядерні пори окремо поступають в цитоплазму. Їх кількість в цитоплазмі залежить від синтетичної активності клітки і може складати від сотні до тисяч на одну клітку. Їх функцією є синтез білків. Найбільша кількість рибосом виявлена в клітках, що інтенсивно синтезують протеїни. Зустрічаються також в мітохондріальному матриксі і хлоропластах.

Рібосоми будь-яких організмів — від бактерій до ссавців, характеризуються схожістю структури і складу, хоча клітки прокариот мають рибосомы менших розмірів і в меншій кількості. Кожна складається з декількох різновидів молекул рРНК і десятків різновидів білків приблизно в однаковій пропорції. Маленька і великі субъединицы знаходяться в цитоплазмі окремо, поки не залучені в білковий синтез. Вони об'єднуються один з одним молекулою мРНК при необхідності синтезу і знов відокремлюються з припиненням процесу (рис.21).

 

 

Ріс.21. Суб'едініци прокариотических (а) і эукариотических (б) рибосом

 

Різні розміри і склад білків і рРНК, що відрізняється, обумовлює різну чутливість до деяких антибіотиків. Наприклад, тетрациклін діє тільки на рибосомы бактерії і пригнічує синтез білків в цих клітках, не впливаючи на эукариотические клітки господаря.

Молекули мРНК, синтезовані в ядрі, поступають в цитоплазму до рибосомам. З цитозоля молекулами тРНК до рибосомам доставляються амінокислоти, де за участю ферментів і АТФ синтезуються білки. Якщо з однією молекулою мРНК з'єднуються декілька рибосом, то утворюються полісоми, які містять від 5 до 70 рибосом.

Механізм трансляції у прокариот (Е. соli). Стартовим сигналом на початок синтезу білка служить розташований на мРНК кодон Аug, що кодує метіонін (Меt) [іноді це кодон GUС для валина (Vаl)]. У полипептидной ланцюзі, що росте, першим амінокислотним залишком завжди буде або Меt, або Vаl. Тоді виникає законне питання: яким чином клітка відрізняє стартовий сигнал від кодонів Аug або GUС, розташованих в середині молекули мРНК? Ця проблема вирішується за допомогою модифікованої форми Меt (або Vаl) і спеціальною тРНК, що ініціює. Формілметіонін (fМеt) і є тією модифікованою формою Меt, з якою починається синтез білка. Він приєднується до молекул тРНК певного типу (тPHKf), відмінним від тPHKMet, за допомогою яких Меt включається в серединну частину полипептидной ланцюга. І тPHKf, і тPHKMet дізнаються кодон Аug, але лише тPHKf здатна приєднуватися до стартового кодону Аug. Ініціація синтезу білка починається з моменту утворення комплексу, що ініціює, на 30S-субчастице, що складається з мРНК, Зоs-субчастіци рибосомы і молекули aминoaцил-тPHKf з приєднаним fМеt, яка зв'язується з ділянкою Р. Следующим кроком є приєднання 50S-cyбчacтицы, внаслідок чого утворюється комплекс, що 70S-инициирующий. Джерелом енергії для ініціації синтезу білка служить реакція гідролізу GТР до GDР і Рj. На цьому етапі необхідно ще декілька білків, званих чинниками ініціації (IF1, IF2 і IFЗ).

Елонгация - це послідовне включення амінокислотних залишків до складу полипептидной ланцюга, що росте. Кожен акт элонгации складається з трьох етапів: 1) пізнавання кодону, 2) утворення пептидного зв'язку і 3) транслокация.

Пізнавання кодону полягає в скріпленні антикодону чергової молекули аминоацил - тРНК з кодоном вільної ділянки А на рибосоме. Щоб прикріплятися до рибосоме, тРНК з приєднаною до неї амінокислотою повинна спочатку утворити комплекс з білком, званим чинником элонгации Еf-тu, або EF1, який заздалегідь повинен бути активований за допомогою GТР. Після того, як відбудеться пов'язання всього комплексу тРНК-ЕFl -GТР з ділянкою А рибосомы, здійснюється гідроліз GТР до GDР і Рj, що задовольняє енергетичні потреби на цьому етапі элонгации. Чинник EF1 • GDР, нездібний більш зв'язуватися з тРНК, покидає рибосому, на якій залишається аминоацил-тРНК. Регенерацію активованого чинника EF1 каталізує другий чинник элонгации, Еf-тs, або EF2, який заміщає GDР в неактивованому комплексі, внаслідок чого утворюється комплекс EF1 • EF2.

Утворення пептидного зв'язку відбувається лише тоді, коли обидві ділянки, А і Р, зайнято молекулами аминоацил-тРНК. Частиною 50S-cyбчacтицы є фермент пептидилтрансферазу, що каталізує утворення пептидного зв'язку. В результаті цієї реакції полипептидная ланцюг, що росте, виявляється приєднаним до тРНК ділянки А, а тРНК ділянки Р вивільняється з комплексу з пептидом і несе на З'-конце групу — ОН.

Транслокация включає три акти, що каталізують ще одним чинником элонгации, EF-G(EFЗ), і енергетично зв'язаних з гідролізом GТР. Спочатку тРНК ділянки Р, не пов'язана з пептидом, покидає рибосому, потім молекула полипептидил-тРНК переходить з ділянки А на Р і, нарешті, рибосома переміщається уподовж мРНК на три нуклеотидных залишку у бік З'-конца. В результаті цих трьох актів звільняється ділянка А і експонується черговий кодон, що дозволяє початися наступному циклу элонгации.

Термінация, тобто закінчення синтезу, відбувається по команді кодонів UАА, UGА або UАG. У природі не існує таких молекул тРНК, антикодони яких відповідали б цим кодонам. Замість продовження синтезу ланцюга відбувається терминация, що каталізує спеціальними білками, які названі чинниками терминации (RF1 і RF2) і які дізнаються кодони, що термінують, коли вільна ділянка А. Еті чинники змінюють специфічність ферменту пептидилтрансферазы таким чином, що відбувається гідроліз зв'язку між кінцевим пептидом і тРНК, а звільнений полипептидная ланцюг диффундирует від рибосомы. Услід за цим відбувається дисоціація комплексу мРНК- рибосома. Далі рибосома диссоциирует на 30S- і 50S-cyбчacтицы. Після реассоциации цих субчастинок з іншою молекулою мРНК весь цикл синтезу білка починається спочатку.

Трансляція у эукариот, що здійснюється в цитоплазмі, включає такі ж етапи, що і трансляція у прокариот. Основною відмінністю тут є те, що першим залишком в полипептидной ланцюзі, що росте, є Меt, а не fМеt. Проте і в цьому випадку є два типи молекул тРНК, що дізнаються кодон Аug: один- коли кодон ініціює, а другой- коли він кодує Меt, який повинен бути приєднаний в середині полипептидной ланцюга, що росте. В ролі чинників ініціації і элонгации виступають різні білки. Ще одна істотна відмінність полягає в тому, що в цитоплазмі эукариот рибосомы більші (80S).

У мітохондрій і хлоропластів трансляція здійснюється в самих цих органеллах. Рібосоми, які вони містять, є 70S-частицы і схожі на рибосомы бактерій. При ініціації використовується fМеt. Послідовність подій при трансляції у эукариот така:

· інформосоми переносять мРНК в цитоплазму

· утворюється комплекс старту трансляції: мРНК + мала субъединица рибосомы + стартова тРНК

· приєднання великої субъединицы рибосомы і початок синтезу білка від 5’ до 3’

· в цей же час відбувається активація амінокислот шляхом їх взаємодії з АТФ

· приєднання активованих амінокислот до специфічної тРНК

· власне трансляція або полімеризація амінокислотних залишків на рибосоме в полипептидную ланцюг

· закінчення синтезу (терминация) – рибосома дійшла до кодону-терминатора і весь комплекс – мРНК, мала і велика частини рибосомы, тРНК, білок – розпадається і при необхідності він знову може збиратися до нового синтезу білка.

Весь процес трансляції йде за допомогою додаткових приблизно 50 спеціальних білків: чинників ініціації, элонгации, терминации. У загальних рисах процес трансляції однаковий у всіх організмів.

Трансляція поста модифікація білків. Синтезований з амінокислот поліпептид — це практично прямолінійна молекула, що не володіє метаболічною активністю. Далі білок мимоволі і за допомогою шаперонов приймає II, III і інші структури. Новий полипептидная ланцюг вивільняється в цитоплазму, эндоплазматическую мережу або комплекс Гольджі, де завершується побудова білкової молекули. В процесі «дозрівання» вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту экзопептидазы, а потім утворювати вторинну і третинну структури. Молекули можуть об'єднуватися з іншими поліпептидами для утворення чверткової структури. Синтезовані макромолекули можуть об'єднуватися з вуглеводними або ліпідними молекулами, а також вбудовуватися в біомембрани або інші комплекси клітки. Процеси зміни первинної лінійної структури поліпептиду і формування просторової структури білкових молекул називаються пострансляционной модифікацією. В результаті цього білки набувають специфічних властивостей і функціональної активності.

Роль шаперонов у формуванні бактеріофагів. Для фолдинга вірусних білків теж потрібні шапероны. Розглянемо це на прикладі бактеріофага Т4, який розмножується в клітках E.Coli. Віріон Т4 включає три компоненти – головка, хвіст і хвостові фибрилы (короткі і довгі). Головка є білковою порожнистою капсулою (капсид) у вигляді многогранника і щільно упакованою в ній лінійною молекулою ДНК. За останніми даними, ДНК фага Т4 містить близько 250 генів. До складу ж зібраної фаговой частинки входить не більше сотні різних білків. Решта білок, кодованої фаговой ДНК, грає допоміжну роль: забезпечують протікання різних стадій фаговой інфекції, у тому числі і збірку готових віріонів.

Серед цих допоміжних білків є і шапероны. Т. е. фаг приносить з собою в клітку, крім іншого, інформацію про своїх власних шаперонах, які забезпечуватимуть фолдинг його власних структурних білків. Абсолютно вражаюча «передбачливість»!

В той же час при фолдинге ряду фаговых білків використовуються і бактерійні шапероны.

Регуляція експресії генів.

Контроль експресії генів здійснюється на наступних рівнях:

· на рівні транскрипції (контролюється час і характер транскрипції гена)

· на рівні процесингу первинного транскрипта

· при відборі зрілих мРНК для їх транспорту в цитоплазму

· на рівні трансляції - відбір в цитоплазмі мРНК для трансляції на рибосомах

· на рівні деградації - виборча дестабілізація певних типів мРНК в цитоплазмі

· на рівні активності білка - селективна активація, инактивация або компартментация молекул білка після їх синтезу.

Експресія генів як у прокариот, так і у эукариот регулюється за допомогою цілого ряду механізмів. Деякі з механізмів такого роду, що діють в бактерійних системах, вивчені досить добре, і два з них будуть розглянуті нижче, але про те, як діє реrуляторные механізми в клітках эукариот, відомо небагато.

Концепція оперону в регуляції експресії генів у прокариот. Ген зазвичай неактивний, але коли необхідний певний білок, конкретний ген «активується», що обумовлює виробництво цього білка. Таким чином, клітки мають механізм, контролюючий кількість будь-якого білка в певний час. Синтез білків регулюється генетичним апаратом, а також чинниками внутрішнього і зовнішнього середовища.

Структура оперону прокариот. У 1961 р. два французькі біологи Ф. Джакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, названий гіпотезою оперону.

Оперон — це послідовність спеціальних, функціональних сегментів ДНК, а також структурних генів, які кодують і регулюють синтез певної групи білків одного метаболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Оперон (регульована одиниця транскрипції) складається з наступних структурних частин (спеціальних послідовностей нуклeoтидoв) (риc.22):

Промотор — ділянка ДНК, до якої приєднується РНК-
полимераза і починається транскрипція.

Оператор — ділянка промотора, що зв'язує білок-регулятор.

Структурні гени (цистроны) — ділянки ДНК, кодуючі
мРНК конкретних білків.

Термінаторний ділянку ДНК несе сигнал про зупинку транскрипції.

 

 

 

Ріс.22. Схема структури оперону (А): негативний контроль (Б) і позитивний контроль (В) експресії генів.

 

Основні механізми регуляції функціонування оперону прокариот. Гени-регулятори під дією клітинних чинників обумовлюють синтез регуляторних білків. Такі білки, з'єднуючись з певними нуклеотидными послідовностями ДНК (оператором), можуть сприяти або перешкоджати приєднанню РНК-полімерази до промотору. У випадку якщо білок регулятор не дає можливість ферменту приєднуватися до промотору, він називається репрессором (мал. 22, Би). В цьому випадку здійснюється негативний контроль транскрипції з боку гена-регулятора. У випадку якщо білок-регулятор сприяє приєднанню РНК-полімерази до промотору і початку процесу транскрипції, його називають білком-активатором, і здійснюється позитивний контроль з боку гена-регулятора (мал. 22, В). У процесах регуляції експресії генів беруть участь також речовини небілкової природи { эффекторы), що взаємодіють з білками-регуляторами і що змінюють їх здатність зв'язуватися з опероном. Наприклад, кінцевий продукт метаболічного ланцюга. Залежно від результатів такої дії серед эффекторов розрізняють індуктори, сприяючі транскрипції, і корепрессоры, що перешкоджають їй.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-09-13; просмотров: 1449; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 52.90.227.42 (0.099 с.)