Реализация биологической информации в клетке

а) Структура РНК и её химический состав

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — линейный полимер, в отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырех разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, урацил или цитозин. РНК синтезируется на молекулах ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности и антипараллельности, причем аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Все многообразие РНК, действующих в клетке, можно разделить на три основных вида: мРНК, тРНК, рРНК

б) Виды РНК и их значение в биосинтезе белка

1) Информационные, или матричные, РНК (иРНК) составляют около 5 % всей клеточной РНК. Они синтезируются в ядре (на участке одной из цепей молекулы ДНК) при участии фермента РНК-полимеразы.

Функция иРНК — снятие информации с ДНК и передача её к месту синтеза белка — на рибосомы. В её нуклеотидной последовательности заключена информация для того, чтобы синтезировать белки с заданными свойствами: к месту их построения поступает «инструкция» о порядке включения аминокислот в пептидную цепь. Процесс синтеза мРНК называют транскрипцией.

2) Рибосомальные РНК (рРНК) — синтезируются в ядрышке, входят в состав рибосом.

Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

3) Транспортные РНК (тРНК) — полинуклеотидные цепи, синтезируемые на определенных последовательностях ДНК. Они состоят из относительно небольшого числа нуклеотидов —75—95. В результате комплементарного соединения оснований, которые находятся в разных участках полинуклеотидной цепи тРНК, она приобретает структуру, напоминающую по форме лист клевера.

в) Структурно-функциональная организация генома прокариот (оперон)

Наследственный материал прокариот как правило, представлен единичной молекулой ДНК, содержащей до 90% кодирующих последовательностей. Поэтому продуктом транскрипции у прокариот является иРНК, которая в дальнейшем сразу участвует в трансляции. Все процессы транскрипции и трансляции локализованы непосредственно в цитоплазме. Регуляция работы генов прокариот осуществляется согласно модели оперона, предложенной Жакобом и Моно в 1961 г. Оперон является структурно-функциональной единицей генома прокариот. Работа оперона обеспечивается возможностью включения (индукции) или выключения (репрессии) работы гена в ответ на изменение внешних условий.

Компоненты оперона:

1) Промотор – место инициации транскрипции, к которому присоединяется РНК-полимераза, запускающий процесс транскрипции;

2) Ген-регулятор – располагается вне оперона и осуществляет синтез определенного белка-репрессора, который осуществляет включение/выключение гена;

3) Оператор – участок оперона, с которым связывается белок-репрессор, затормаживающий работу гена;

4) Структурные гены – представлены исключитено экзонами, т.е. кодирующимися последовательностями;

5) Терминатор – особая последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как финиш транскрипции.

Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.

г) Молекулярные механизмы транскрипции у прокариот. Фазы транскрипции

Транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК. У прокариот синтез всех трех видов РНК катализируется одним сложным белковым комплексом — РНК-полимеразой. Ферментный комплекс РНК-полимеразы специфически узнает некую нуклеотидную последовательность (часто не одну), расположенную на определенном расстоянии от стартовой точки транскрипции, — промотор. Стартовой точкой считают нуклеотид ДНК, которому соответствует первый нуклеотид, включаемый ферментом в РНК-транскрипт.

У прокариот обычно недалеко от стартовой точки против хода транскрипции располагается последовательность из шести нуклеотидов — ТАТААТ, называемая блоком Прибнова.

Транскрипция протекает в 3 стадии:

1) Инициация – после установления контакта между РНК-полимеразой и промоторным участком ДНК начинается сборка молекулы РНК в направлении 3'-5'

2) Элонгация – синтез иРНК с соблюдением принципа комплементарности. Причем транскрибируется только одна цепь ДНК, которая называется кодогенной

3) Терминация – синтез иРНК продолжается до встречи фермента с областью терминатора. Терминатор — это участок, где прекращается дальнейший рост цепи РНК и происходит ее освобождение от матрицы ДНК. РНК-полимераза также отделяется от ДНК, которая восстанавливает свою двухцепочечную структуру.

д) Регуляция экспрессии оперона по типу репрессии и индукции

Вне оперона располагается особая последовательность - ген-регулятор, который несет информацию о синтезе белка-репрессора, который впоследствии будет осуществлять работу оперона. Механизм регуляции экспрессии оперона представляет собой следующую закономерность:

Ген-регулятор осуществляет синтез белка-репрессора, который вступая во взаимодействие с оператором "выключает" оперон, то есть цепь замыкается, и работа оперона прекращается, процессы транскрипции, трансляции, репликации в данном случае не осуществляются, данный тип экспрессии носит название - репрессия (выключение).

Если белок-репрессор не вступает во взаимодействие с оператором, так называемое замыкание цепи не происходит, то мы говорим о таком типе экспрессии как - индукция (включение), при данном типе все генетические процессы осуществляются, то есть происходит трансляция, транскрипция, репликация.

Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.