Кодирование и реализация биологической информации в клетке. Кодовая система ДНК.

Генетический код — это система записи генетической информации о последовательности расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.

Генетический код и его свойства

 

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК.

Свойства генетического кода:

1.Код триплетен – каждая аминокислота зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном.

2.Код вырожден – каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном. (Исключения – аминокислоты метионин и триптофан. Они кодируются одним кодоном.)

3.Код универсален – одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов.

4.Генетический код не перекрывающийся – триплеты нуклеотидов не перекрывают друг друга. У некоторых вирусов обнаружено перекрывание, но это исключение.

5.Имеются стартовый и терминальный кодоны. Стартовый – единый для всех – АУГ. Терминальный трех видов – УАГ, УАА, УГА.

 

      Функциональная активность генов или экспрессия генов

 

У прокариот она осуществляется в два этапа: транскрипция и трансляция.У эукариот есть еще стадия процессинга.

Экспрессия генов заключается в синтезе на молекуле ДНК молекулы и-РНК, комлементарной ей (или транскрипции – переписывание, считывание биологической информации) и дальнейшее ее использование для синтеза белка. Единицей транскрипции в ДНК является транскриптон, превышающий по размерам структурные гены. Транскриптон в клетках эукариот состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной зоны. Неинформативная зона начинается геном-промотором (участок из 80 нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, катализирующая процесс считывания. У прокариот один вид РНК-полимеразы, у эукариот три.

За геном промотором находятся гены-операторы, которые связывают регуляторные белки (белки, включающие и прекращающие транскрипцию).

Информативная зона состоит из структурных генов, располагающихся за генами операторами. Структурные гены эукариот разделены спейсерами – участками ДНК, не несущими информации.

Кроме того, в составе самих структурных генов есть информационные участки – экзоны и неинформационные – интроны. У пркариот спейсеров, экзонов и интронов нет.

В каждой фазе жизненного цикла в клетке транскрибируется только 10% структурных генов, а остальные гены не активны, но часть из них может включаться в других фазах жизненного цикла.

В результате транскрипции у прокариот сразу образуется м-РНК (зрелая РНК) и сразу же начинается процесс трансляции.

У эукариот транскрибируется большая молекула и-РНК, содержащая все неинформативные участки. Она называется РНК-предшественница или пре-РНК. Поэтому за транскрипцией наступает процессинг, в результате, которого разрушаются все неинформативные участки: акцепторная зона, спейсеры и интроны, а оставшиеся экзоны сшиваются (сплайсинг).

На этапе процессинга к начальному отрезку образовавшейся РНК присоединяется последовательность нуклеотидов, называемая колпачком, к концевому – последовательность остатков аденина – поли- A.

В процессинге происходит модификация нуклеотидов в РНК, например, их метилирование, гидрирование.

И только после этих превращений образуется зрелая м-РНК, которая начинается вводной последовательностью, называемой лидером, и заканчивается концевой последовательностью – трейлером. Лидер – вводная последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъединице рибосом, которая обеспечивает прикрепление и-РНК к малой субъединице. Трейлер включает нонсенс-кодон и поли-А последовательность.

Кодовым элементом м-РНК является триплет нуклеотидов, называемый кодоном. Каждому кодону соответствует определенная аминокислота.

Первичной структурой РНК является, как и в ДНК, линейная цепь полинуклеотидов, в которой мононуклеотиды соединены 3`,5`-фосфоэфирными связями.

Вторичная структура РНК – изогнутая цепь, а третичная представляет собой нить, намотанную на катушку, роль катушки играет особый транспортный белок – информатор.

Образующаяся м-РНК идет в цитоплазму к месту синтеза полипептида (белка), т.е. к рибосомам.

На рибосомах осуществляется процесс трансляции. Трансляция – это механизм, с помощью которого последовательность нуклеотидов в молекулах м-РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Трансляция складывается из трех стадий:

1. Инициация – начало синтеза полипептида.

2. Элонгация – удлинение полипептида.

3. Терминация – окончание синтеза полипептида.

На этапе инициации меньшая субъединица рибосомы узнает стартовый кодон АУГ м-РНК и прикрепляется к ней. АУГ занимает первую позицию. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и в ней начинается собственно синтез белка. К большой субъединице подходит т-РНК с аминокислотой.

 

 

В молекуле т-РНК одна ее часть присоединяет аминокислоту, а другая – антикодон, спаривается с колоном м-РНК, определяющим эту аминокислоту.

 

В большой субъединице есть:

1 – аминоацильный участок

2 – пептидильный участок

 

В т-РНК, антикодон которой комплементарен кодону АУГ

м-РНК приносит аминокислоту метианин и останавливается в аминоацильном участке. Стадия инициации контролируется факторами инициации. У прокариот их 3, у эукариот 6-7.

Вторая стадия – элонгации начинается с перемещения т-РНК с метианином в пептидильный участок, а на ее место приходит другая т -РНК с новой аминокислотой. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь. Тем временем рибосома продвигается вдоль м-РНК, на рибосоме оказывается новый кодон, к которому вскоре присоединяется своим антикодоном соответствующая т-РНК.

Все это повторяется многократно, до тех пор, пока рибосома не

дойдет до одного из терминальных кодонов (УАА, УАГ, УГА).

 Этим кодонам нет антикодона, нет аминокислоты. Наступает фаза терминации. К одной молекуле м-РНК прикрепляется обычно много

рибосом и образуются полисомы.

В процессе трансляции наряду с факторами инициации и элонгации важное значение имеет фермент, связывающий т-РНК с аминоацильным участком – аминоацил т-РНКаза.

 

          Регуляция экспрессии генов у про- и эукариот

 

У прокариот она осуществляется на уровне промотора, оператора

 и трансляции.

У эукариот регуляция происходит на всех этапах экспрессии: транскрипции, процессинга и трансляции.

Подробнее остановимся на регуляции экспрессии генов у бактерий.

 

 

                       Регуляция экспрессии генов у прокариот

 

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу репрессии

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу индукции

 

В 1961 году Жакоб и Моно установили, что у бактерий под контролем гена-регулятора синтезируется белок-репрессор, который регулирует активность других генов. Белок-репрессор связывается с геном-оператором и блокирует его, вследствие чего транскрипция (считывание информации) становится невозможной и клетка не может синтезировать соответствующие белки. Но если в клетку проникает какой-либо субстрат, для расщепления которого необходимо синтезировать ферменты, то происходит следующее: субстрат присоединяется к репрессору и лишает его способности блокировать ген-оператор.

К ДНК присоединяются РНК-синтезирующие ферменты и начинается транскрипция генов. Синтез белка-фермента прекращается, если субстрат полностью расщепляется, белок-репрессор освобождается и снова блокирует гены-операторы. Это пример регуляции по типу индукции. Также существует регуляция по типу репрессии: когда конечные продукты биохимической реакции, соединяясь с неактивным белком-репрессором, образуют комплекс, блокирующий работу гена-оператора.

Антитерминация – заключается в том, что происходит игнорирование терминальных кодонов, процесс экспрессии продолжается.

                       Регуляция у эукариот

1)Регуляция генной активности у эукариот намного сложнее, чем у бактерий. У эукариот она происходит не только на уровне клетки. Существуют системы регуляции организма как целого. Огромную роль в регуляции играют гормоны, но регулируют они процессы синтеза белков лишь в клетках-мишенях. Гормоны связываются с белками-рецепторами, расположенными в мембранах таких клеток и включают системы изменения структуры клеточных белков. Те, в свою очередь, могут влиять как на процессы транскрипции, так и процессы трансляции. Каждый гормон через систему посредников активирует свою группу генов. Так адреналин включает синтез ферментов, расщепляющих гликоген мышц до глюкозы, а инсулин влияет на образование гликогена из глюкозы в печени.

2)На стадии транскрипции белки-гистоны участвуют в процессах регуляции генной активности у эукариот. Непременное условие – это деконденсация участка, где происходит транскрипция.

3)Регуляция на уровне трансляции направлена на сохранение стабильности м-РНК, а эффективность трансляции осуществляется с помощью факторов инициации, элонгации, терминации.