Генетичний код і його властивості

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД І ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ

Унікальність кожної клітини полягає в унікальності її білків. Клітини, що виконують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки, використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особливої послідовності азотистих основ у ДНК і називається генетичним кодом. Генетичний код описується в символах іРНК, яка є посередником між ДНК і рибосомами, де відбувається синтез білка (табл.3.1). Генетичний код іРНК є комплементарним коду ДНК.

СТРУКТУРА ХРОМАТИНУ

Хроматин -комплекс молекул ДНК та специфічних білків, що складає хромосоми. Слово «хроматин» походить від лат. Chroma- «колір», і виникло через його контрастне фарбування деякими барвниками. В клітинах еукаріотів хроматин знаходиться в ядрі.

До складу хроматину входить близько 500 різних білків. Розрізняють два класи білків: 1) кислі (збагачені кислими амінокислотами) негістонові білки; 2) основні (збагачені основними амінокислотами) - гістони.

На першому рівні організації хроматину ДНК формує за рахунок взаємодії з білками елементарні утворення- нуклеосоми. Структура нуклеосом нагадує намисто. Виділено 5 основних видів гістонів: H1, Н2А, Р2В, НЗ і Н4. Гістон Н1 видоспецифічний, кількість його в два рази менша порівняно з іншими гістонами. Нуклеосоми є дископодібними частинами діаметром 11 нм. Нуклеосоми утворюються в результаті взаємодії чотирьох класів гістонів: димерів Н2А, Н2В і тетрамерів НЗ і Н4. Ділянка ДНК, що займає 145 пар нуклеотидів, утворює 1 або 3-4 оберти навколо серцевини нуклеосоми. Гістон Н1 взаємодіє з ДНК між нуклеосомами, утворюючи ділянку лінкера завдовжки від 15 до 100 полінуклеотидів. У хроматині вся ДНК формує нуклеосоми із середньою щільністю одна нуклеосома на 200 пар основ, сусідні нуклеосоми з'єднані міжнуклеосомними лінкерними ділянками. Нуклеосомна ДНК разом із лінкерною ділянкою становлять так званий нуклеосомний повтор, довжина якого варіює як уздовж полінуклеосомного ланцюга, так і залежно від функціонального стану, типу клітин тощо. Серцевина нуклеосоми з лінкером складає повну нуклеосому (рис.3.1).

 

 

Рис. 3.1. Схема будови нуклеосом хроматину (за Су Жей Лі)

 

Гістони Н1 у лінкерних ділянках взаємодіють між собою і утворюють спіраль більш високого порядку- соленоїд - структуру завтовшки близько 30 нанометрів (фібрилу) (рис.3.2).

Рис. 3.2. Рівні компактизації ДНК: 1-ДНК (2нм); 2-нуклеосома (8 гістонових молекул, 11нм), 3-хроматин у формі соленоїда (30нм), 4-хроматинове волокно, 5-хроматин, 6-утворення петель і суперспіралізація (700нм), 7-хромосома (700нм).

 

Подальша упаковка цієї фібрили може мати різну щільність. Якщо хроматин упакований щільно, його називають конденсованим або гетерохроматином. ДНК, що знаходиться в гетерохроматині не доступна для транскрипції, звичайний цей стан характерний для незначущих ділянок, не потрібних на даній стадії розвитку клітини. Повна конденсація хромосом відбувається перед поділом клітини (період інтерфази). Утворення гетеро хроматину здійснюється головним чином у ділянках, що містять повтори-у центромерах, теломерах, субтеломерних ділянках, зонах концентрації мобільних елементів. Якщо хроматин упакований нещільно, його називають еухроматином. Цей тип хроматину менш щільний і характеризується активацією транскрипції. Щільність упаковки хроматину багато в чому визначається модифікаціями пістонів- ацетилилюванням і фосфорилюванням.

На наступному рівні структурної організації у клітинному ядрі хроматинова фібрила формує петлі, кінці яких жорстко закріплені на скелетних білкових структурах клітинного ядра- ядерному матриксі. Ядерний матрикс-це система білкових філаментів, яка формує каркас ядра. На периферії ядра розташована внутрішня ядерна оболонка (ядерна ламіна). Від ламіни всередину ядра протягнуті філаменти внутрішнього ядерного матриксу. З ламіною взаємодіє значна частина гетерохроматину (центромери і теломери хромосом). Еухроматинова частина хромосоми «звисає» всередину ядра, де хроматинові петлі закріплюються на внутрішній частині матриксу. В результаті хромосома займає певну зону в об´ємі ядра- хромосомну територію.

Одна петля, що містить від 20 до 200 тис. пар основ ДНК (один або кілька генів) і часто розглядається як важливий елемент регуляції процесів транскрипції та реплікації. Кожна петля є окремим геномним доменом. Найбільшими і найстабільнішими структурними доменами є реплікони. Середній розмір ДНК, яка входить до складу петлі у ссавців, становить 50-100 тис. полінуклеотидів або 1700-3400 нм. На відміну від нуклеосомного та соленоїдного рівнів, петлеподібний рівень організації хроматину носить не тільки структурний, але й функціональний характер.

На четвертому рівні компактизації ДНК відбувається вкладання ДНК у метафазну хромосому за рахунок складання скелетних ниток, до яких прикріплені соленоподібні петлі. Найбільш вірогідною (за Г.П.Георгієвим) є спіральна укладка ниток з утворенням соленоїда другого порядку.

Зміни хроматину, що відбуваються при мітотичному поділі, зачіпають в основному скелетні структури, що не впливає на більш низькі рівні організації хромосоми. Далі йдуть більш високі рівні компактизації ДНК, майже до хроматидного. Однак вони ще достатньо повно не вивчені.

СИНТЕЗ БІЛКА В КЛІТИНІ

Молекулярні механізми білкового синтезу в основному є спільними для всіх живих організмів. Зчитування інформації, записаної в послідовності нуклеотидів мРНК, та її переклад у амінокислотний текст розпочинається зі стартового кодона, де при ініціації трансляції відбувається остаточне збирання головного пристрою трансляції рибосоми-комплексу рРНК і білків. Вона сканує нуклеотидну послідовність мРНК, рухаючись уздовж неї кроками по три нуклеотиди від 5'-до 3'-кінця під час елонгації трансляції до стоп-кодона, де відбувається термінація процесу. Під час сканування рибосома працює як декодуючий пристрій, забезпечуючи впізнання кодонів комплементарними щодо них триплетами (антикодонами) у складі тРНК, і як каталізатор процесу синтезу пептидного зв'язку між амінокислотами. Певний антикодон відповідає амінокислоті певного типу, яку несе на собі тРНК. Отже, тРНК є ключовою ланкою реалізації генетичного коду: саме вони забезпечують доставку амінокислот до рибосоми в порядку, який відповідає послідовності кодонів.

Здатність до біосинтезу білка з особливою силою проявляється в період росту клітини. Синтез білка складається з декількох етапів (рис.3.3). ДНК створює РНК, а РНК створює білок.

ДНК ядро

тРНК (амінокислоти)

мРНК

рибосома

трансляція

поліпептид

Цитоплазма

Оболонка ядра

 

 

Рис. 3.3. Загальна схема синтезу білка у клітині

І етап. Транскрипція. Молекули ДНК кожної клітини містять інформацію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає інформацію про структуру білків за участю специфічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплазму до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на матриці ДНК називається транскрипцією. При цьому матрицею для синтезу РНК служить тільки один ланцюг ДНК. Подвійна спіраль ДНК під дією ферментів розплітається на певній ділянці, і на одному з її ланцюгів синтезується іРНК за принципом комплементарності. Потім іРНК переміщується з ядра в цитоплазму. Цей процес відбувається, в основному, під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК-іРНК, тРНК, рРНК. Зчитування спадкової інформації з генів регулюється спеціальними білками. Зокрема, гістони не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами. Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього починається зчитування спадкової інформації. Негістонові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків.

Утворена таким чином молекула являє собою первинний транскрипт -попередник іРНК (або про-іРНК). Потім відбувається дозрівання іРНК. Молекулярні механізми, пов'язані з «дозріванням» різних типів РНК, називаються процесинг (рис.3.4).Вони здійснюються в ядрі перед виходом РНК із ядра в цитоплазму. Причому, утворення про-іРНК та процесинг однаково відбуваються як для іРНК, так і для тРНК. Значення процесингу полягає в тому, що еукаріотична клітина може додатково контролювати процеси утворення білків, регулювати свій метаболізм, структуру і функції.

 

 

 

Рис. 3.4. Процесинг іРНК і його місце в експресії гена (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.-С.- 98.)

 

Отже, про-іРНК являє собою довгу функціонально переривчасту молекулу, яка складається з екзонів та інтронів, що чергуються між собою. У процесі «дозрівання» іРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називається сплайсингом. Тому послідовність нуклеотидів у дозрілої іРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нуклеотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані. Сплайсинг-дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечується розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.

Існує і зворотня транскрипція -синтез ДНК на матриці молекули РНК (у ретровірусів) за допомогою фермента - ревертази. Ретровіруси являють собою родину вірусів, генетичний матеріал яких складає РНК.

ІІ етап. Активація амінокислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент. Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (аміноацил-тРНК). Процес розпізнавання амінокислот тРНК називають рекогніцією. Аміноацил-тРНК-комплекс надходить до місця синтезу білків, а вільний фермент може знову активувати наступну молекулу амінокислоти.

ІІІ етап. Трансляція. Трансляція - синтез відповідної амінокислотної послідовності в молекулі білка. Рибосоми є місцем синтезу білка (рис.3.5).

Рибосома «зчитує» інформацію, пересуваючись в одному напрямку з іРНК-зліва направо. До іРНК, що знаходиться між двома субодиницями рибосоми, послідовно приєднуються молекули тРНК зі своїми амінокислотами. У кожній тРНК є акцепторна ділянка, до якої приєднується відповідна амінокислота, і ділянка, що містить антикодон- послідовність із трьох нуклеотидів, суворо комплементарна кодонові іРНК, який відповідає певній амінокислоті. У рибосомі одночасно можуть знаходитися дві тРНК зі своїми амінокислотами.

 

Рис. 3.5. Трансляція

 

Між амінокислотами утворюється пептидний зв'язок-за рахунок енергії АТФ і за участі певних ферментів. У цитоплазму йде тРНК, що звільнилася, рибосома просувається молекулою іРНК на наступний кодон, і до неї підходить наступна тРНК з відповідною амінокислотною, утворюється пептидний зв'язок між наступними амінокислотами. Коли рибосома досягає стоп-кодона, вона розпадається на субчастки і синтез поліпептидного ланцюга (первинної структури білка) припиняється.

ІV етап. Формування просторової конфігурації поліпептиду. Відбувається у творення вторинної і третинної структур молекули білка. Етап відбувається в цитоплазмі. Міжпептидні водневі зв'язки формують вторинну структуру. Зв'язки між R-групами формують третинну структуру білка, синтезована молекула білка стає функціонально активною, проникає в порожнину ЕПС і транспортується по ній у певну ділянку клітини.

Білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку організмів, забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об’єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.

 

 

Тести до самоконтролю

1. Фермент, який розпізнає специфічну послідовність нуклеотидів у подвійній спіралі молекули ДНК, носить назву:

а) ревертаза

б) рестриктаза

в) РНК-полімераза

г) гомогентиназа

 

2. Результатом сплайсингу є:

а) побудова комплементарної нитки ДНК

б) утворення зрілої м-РНК (і-РНК)

в) побудова поліпептидного ланцюга г) побудова т-РНК

 

3. Побудова амінокислотної послідовності в поліпептидному ланцюгу називається:

а) транскрипція

б) процесинг

в) поліплоїдія

г) трансляція

 

4. Головні ферменти, які приймають участь в реплікації:

а) РНК-полімераза

б) ревертаза

в) рестриктаза

г) ДНК-полімераза

 

5. Світлі смуги на хромосомах при їх диференціальному забарвленні це:

а) гетерохроматин

б) еухроматин

в) помилка забарвлення

г) хіазми

 

6. Одиницею генетичного коду є:

а) динуклеотид

б) триплет

в) піримідинова основа

г) інтрон

 

7. Сплайсинг-це процес:

а) видалення екзонів

б) побудова про-м-РНК

в) видалення інтронів

г) рекомбінації

8. До кодуючих ділянок ДНК відносять:

а) екзони

б) інтрони

в) рекони

г) міні сателіти

9. Вибіркове збільшення числа копій окремих генів носить назву:

а) поліплоїдія

б) ампліфікація

в) кросинговер

г) стигматизація

10. Розшифрування генетического коду пов’язане з ім´ям вченого:

а) Джеймс Уотсон

б) Маршалл Ніренберг

в) Френсіс Крик

г) Грегор Мендель

11. Основні властивості ДНК як носія спадкової інформації -здатність до:

а) самовідтворення

б) метилування

в) утворення нуклеосом

г) дволанцюгова будова

 

12. Нуклеотидні последовності, які видаляються при процесингу:

а) КЕП-сайт

б) екзони

в) нітрони

г) мутони

 

13. В результаті сплайсингу утворюється:

а) я-РНК

б) м-РНК

в) і-РНК

г) т-РНК

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД І ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ

Унікальність кожної клітини полягає в унікальності її білків. Клітини, що виконують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки, використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особливої послідовності азотистих основ у ДНК і називається генетичним кодом. Генетичний код описується в символах іРНК, яка є посередником між ДНК і рибосомами, де відбувається синтез білка (табл.3.1). Генетичний код іРНК є комплементарним коду ДНК.