Молекулярні основи експресії генів.

Експресія генів - перенесення генетичної інформації від ДНК через РНК до поліпептиди і білки.

Регуляція експресії генів на рівні транскрипції - складний процес. Один з шляхів регуляції - взаємодія факторів транскрипції, або транс-факторів з цис-елементами - регуляторними послідовностями, розташованими на тій же дволанцюжкової молекулі ДНК, що і регульований ген. Цис-елементи зазвичай знаходяться поблизу від сайту ініціації транскрипції в 5'-напрямку, але можуть розташовуватися і на значній віддалі від нього (5000-50 000 нуклеотидів), причому з будь-якого боку.
Фактори транскрипції - це білки, здатні зв'язуватися з певними регуляторними послідовностями молекули ДНК. Найкраще охарактеризований сімейство факторів транскрипції, ДНК-зв'язуючий ділянку яких формує структуру типу спіраль-петля-спіраль. Характерна геометрія цих білків визначає специфічність їх зв'язування з ДНК.
Структуру типу спіраль-петля-спіраль утворюють і ДНК-зв'язуючі ділянки - гомеодомени - так званих гомеодоменних білків.
Заміна амінокислот в гомеодомене в результаті сайт-специфічного мутагенезу призводить до порушення взаємодії з ДНК.
Гомеодоменние білки зв'язуються з ДНК у вигляді мономерів.
Ще одна група факторів транскрипції, наприклад рецептори стероїдів, містить так звані "цинкові пальці" - послідовності амінокислот, що утворюють хелатні зв'язку з іонами цинку.
Нарешті, деякі фактори транскрипції містять структурний елемент, що складається з двох компонентів і названий "лейціновой застібкою". Білки з "лейціновой застібкою" можуть утворювати як гомо-, так і гетеродімери, які активують або пригнічують транскрипцію.
Експресія генів регулюється також на посттранскрипційна рівні, в процесі сплайсингу і поліаденілірованія транскриптів, перенесення мРНК з ядра в цитоплазму, трансляції і часу життя мРНК. Крім того, функція кодованого геном білка часто змінюється в результаті альтернативного сплайсингу, наприклад при секреції імуноглобулінів, синтезі кальцитоніну або кальцітоніноподобного пептиду і при синтезі різних ізоформ Тропонін Т.

№26 Диференціальна експресія генів та їх біологічне значення

Диференціа́ція кліти́н, в біології розвитку, — процес, у якому клітини отримують певний тип або «фенотип». Морфологія клітини та картина експресії генів клітини можуть значно змінитися протягом диференціації, але генетичний матеріал зазвичай залишається без змін (хоча і з цього правила є нечисленні винятки).

Такі клітини називаються стовбуровими клітинами у тварин і меристематичними клітинами (клітинами твірної тканини) у вищих рослин. Клітина, яка може диференціюватися у всі клітинні типи, властиві даному організму, називається тотипотентною. У ссавців тільки зигота і ранні ембріональні клітини є тотипотентними, тоді як у рослин багато навіть диференційованих клітин можуть стати тотипотентними в лабораторних умовах.

Експре́сія ге́нів — процес, при якому спадкова інформація генів, наприклад нуклеотидна послідовність, використовується для синтезу функціонального генетичного продукту, наприклад білка або РНК.

Якщо кінцевим продуктом є білок, процес експресії генів називається біосинтезом білків, що складається із кроків транскрипції, сплайсингу, трансляції та посттрансляційної модифікації. В інших випадках, наприклад для генів, що кодують рРНК або тРНК, набір кроків дещо відрізняється. Для експресії генів може використовуватися як генетична інформація, так і епігенетична. Застарілий термін «реалізація генетичної інформації» посилається тільки на інформацію першого типу, якої, проте, може бути недостатньо для отримання функціонального продукту.

Експресія генів в багатох випадках активно регулюється, змінюючи час та кількість синтезованого генетичного продукту. Кілька кроків у процесі експресії генів можуть модулюватися, зокрема транскрипція і посттрансляційна модифікація. Регулювання експресії генів надає клітині контроль за кількістю та структурою синтезованих біополімерів і є основою диференціації клітин, морфогенезу і адаптації організму до умов навколишнього середовища. Регулювання експресії генів також може приводити до еволюційних змін.

Процес експресії генів відбувається в організмах усіх живих істот: еукаріотів (у тому числі в багатоклітинних організмах), прокаріотів (у бактерій і археїв), а також вірусів — для створення макромолекулярних основ для їх життєдіяльності. Деякі процеси, які відбуваються під час експресії генів можуть модулюватися певними чинниками, наприклад транскрипція, сплайсинг РНК, трансляція і посттрансляційна модифікація білка.

Експресія генів забезпечує підтримання структури та функції клітини, що є основою для диференціації клітин, морфогенезу, а також універсальної адаптованості будь-якого організму до умов існування. Регуляція генів може також служити в якості субстрату для еволюційних змін, оскільки контроль за часом, місцем і інтенсивністю експресії генів може мати величезний вплив на функції (дію) генів у клітині або у багатоклітинному організмі.

У генетиці, вплив експресії генів розглядається на фундаментальному рівні, адже під час цього процесу під дією генотипу формується фенотип. Генетичний код зберігається у ДНК у вигляді нуклеотидної послідовності «яка інтерпретується» під час експресії генів, а властивості продуктів експресії генів призводить до формування фенотипу організму.

№27Рибосома як мультиферментний комплекс

Рибосома. рибонуклеопротеїдний комплекс, який складається

із двох субодиниць.Компоненти рибосоми прийнято позначати коефіцієнтами седиментації. коефіцієнтами пропорційності,що показують, наскільки зростає швидкість руху частинки при цен-

трифугуванні зі зростанням відцентрової сили (швидкості обертання ротора центрифуги). Коефіцієнт седиментації використовується як міра рухливості частинки, залежить від її маси, об’єму та форми, вимірюється у сведбергах (S). позастистемних одиницях, які мають

розмірність часу (1S = 10.13 с).Маленька субодиниця прокаріотичної рибосоми з коефіцієнтом седиментації 30S, містить одну молекулу рРНК (16S) і 21 молекулу рибосомних білків, що позначаються як S1.S21 (від Small subunit). Велика субодиниця містить дві молекули рРНК (23S і 5S) і білки L1.L36 (відLarge subunit). цей комплекс седиментує з коефіцієнтом 50S. Об’єднання субодиниць дає рибосому з коефіцієнтом седиментації 70S оскільки коефіцієнт седиментації залежить від форми частинки, він не є адитивною величиною. Еукаріотична рибосома містить трохи більшу 18S рРНК замість 16S, дві рРНК, що міцно взаємодіють між собою(28S і 5,8S), замість 23S і більшу кількість білків. Структура обох ри-

босом і принципи їхньої роботи подібні.Синтез еукаріотичних рРНК 18S, 5,8S і 28S здійснюється в ядерці,яке формується на тандемних повторах кластера відповідних геніврРНК (див. рис. 4.6). Первинний транскрипт, що синтезується РНК-полімеразою І, має константу седиментації 45S і містить три фрагментимайбутніх рРНК, розділені спейсерами. Процесинг рРНК. деградація

спейсерів, а також модифікація певних основ і метилування 2’-ОН групп специфічних рибоз. здійснюється за участю близько 150 типів маленьких ядерцевих РНК (snoRNA. small nucleolar RNA), які, аналогічно до маленьких ядерних РНК, визначають специфічні сайти деградації та

модифікацій. Частина маленьких ядерцевих РНК синтезується на певних генах РНК-полімеразами ІІ та ІІІ. Але велика кількість цих РНК є інтронами, що визволяються в результаті сплайсингу мРНК білкових генів.5S рРНК синтезується РНК-полімеразою ІІІ на окремих кластерах відпо-

відних генів поза ядерцем. В ядерці, практично одночасно з процесин гом рРНК відбувається її поступова взаємодія з рибосомними білками, до ядерця ж дифундує комплекс 5S рРНК з білками: утворюються субодиниці рибосоми, які далі транспортуються до цитоплазми.

№28Фактори трансляції та їх роль в експресії генів

Експре́сія ге́нів — процес, при якому спадкова інформація генів, наприклад нуклеотидна послідовність, використовується для синтезу функціонального генетичного продукту, наприклад білка або РНК.

Якщо кінцевим продуктом є білок, процес експресії генів називається біосинтезом білків, що складається із кроків транскрипції, сплайсингу, трансляції та посттрансляційної модифікації. В інших випадках, наприклад для генів, що кодують рРНК або тРНК, набір кроків дещо відрізняється. Для експресії генів може використовуватися як генетична інформація, так і епігенетична. Застарілий термін «реалізація генетичної інформації» посилається тільки на інформацію першого типу, якої, проте, може бути недостатньо для отримання функціонального продукту.

Експресія генів в багатох випадках активно регулюється, змінюючи час та кількість синтезованого генетичного продукту. Кілька кроків у процесі експресії генів можуть модулюватися, зокрема транскрипція і посттрансляційна модифікація. Регулювання експресії генів надає клітині контроль за кількістю та структурою синтезованих біополімерів і є основою диференціації клітин, морфогенезу і адаптації організму до умов навколишнього середовища. Регулювання експресії генів також може приводити до еволюційних змін.

Трансляція відбувається в цитоплазмі, де знаходяться рибосоми клітини. Під час трансляції, інформація, що міститься в мРНК, розшифровується згідно з правилами, відомими як генетичний код, та використовується для синтезу закодованої поліпептидної послідовності. Процес трансляції можна поділити на чотири фази: активацію, ініціацію, елонгацію та термінацію.

При активації, відповідна амінокислота (аа) приєднується до відповідної транспортної РНК (тРНК). Хоча ця стадія часто розглядається окремо від трансляції, вона необхідна для її початку. Зв'язана з амінокислотою тРНК називається аміноацил-тРНК або «зарядженою» тРНК. При ініціації мала субодиниця рибосоми зв'язується з 5'-кінцем мРНК за допомогою факторів ініціації (IF), іншіх білків, що допомагають процесу. Елонгація відбувається, коли чергова аміноацил-тРНК використовується для збільшення поліпептидного ланцюжка. Термінація відбувається, коли рибосома зустрічає стоп-кодон (UAA, UAG або UGA), для якого не існує відповідної тРНК, при цьому відбувається звільнення поліпептидного ланцюжка.

Для здійснення процесу трансляції в клітинах усіх без винятку організмів існують спеціальні органели — рибосоми. Рибосоми є рибонуклеопротеїдними комплексами, побудованими з 2 субодиниць: великої і малої. Функція рибосом полягає в розпізнаванні тринуклеотидних кодонів мРНК, підбору відповідних ним амінокислот і приєднанні цих амінокислот до білкового ланцюжка, що росте. Рухаючись уздовж молекули мРНК, рибосома розпізнає кодон за кодоном і синтезує білок відповідно інформації, закладеної в молекулі мРНК.

Для розпізнавання амінокислот в клітині існують спеціальні «адаптери», молекули транспортної РНК (тРНК). Ці молекули, що мають форму конюшинового листа, мають ділянку (антикодон), комплементарну кодону мРНК, та іншу ділянку, до якої приєднується амінокислота, що відповідає цьому кодону. Приєднання амінокислот до тРНК здійснюється в екзоенергетичній реакції ферментами аміноацил-тРНК-синтетазами, а молекула, що отримається в результаті, називається аміноацил-тРНК. Таким чином, специфічність трансляції визначається взаємодією між кодоном мРНК і антикодоном тРНК, а також специфічністю аміноацил-тРНК-синтеназ, що приєднують амінокислоти строго до відповідних їм тРНК (наприклад, кодону GGU відповідатиме тРНК, що містить антикодон CCA, а до цієї тРНК приєднуватиметься тільки амінокислота гліцин).

Механізми трансляції прокаріотів (бактерій та архей) і еукаріотів істотно відрізняються, тому багато речовин, що пригнічують прокаріотичну трансляцію, в значно меншому ступені діють на трансляцію еукаріотичних організмів, що дозволяє використовувати їх у медичній практиці як антибактеріальні засоби, безпечні для організму ссавців.

Оскільки кожен кодон містить три нуклеотида, один і той же генетичний «текст» можна прочитати трьома різними способами (починаючи з першого, другого і третього нуклеотидів), тобто в трьох різних рамках зчитування. За деякими цікавими винятками, значущою є інформація, закодована тільки в одній рамці зчитування. З цієї причини украй важливим для синтезу білка рибосомою є її правильне позиціонування на стартовому AUG-кодоні — під час ініціації трансляції.

№29 Рекогниція та її місце в біосинтезі білка

Рекогніція – приєднання амінокислоти до своєї специфічної тРНК під контролем ферменту. зму.

Синтез білків – це процес формування складних полімерних послідовностей з амінокислот-мономерів. Білки є основою структури, метаболізму і функціонування клітин. Кожен білок має визначений термін функціонування. За певний термін функціонування (звичайно за кілька годин) білки зношуються й руйнуються клітиною. Таким чином, щоб довгостроково існувати, клітини повинні постійно знову синтезувати ті самі білки. Синтез здійснюється за схемою: ДНК-РНК-білок. Інформація, що міститься в ДНК, передається синтезованому білку через РНК. Процес переносу інформації з молекул РНК на упорядковану структуру амінокислот у поліпептидний ланцюг називається трансляцією. Процес біосинтезу поліпептидного ланцюга на рибосомах по інструкції, записаній в молекулі мРНК у формі генетичного коду, називається синтезом білків. Для синтезу білків потрібна енергія, наявність достатньої кількості вільних амінокислот, рибосом і комплексу ферментів.

Амінокислоти надходять у клітину ззовні, а також утворюються в результаті руйнування власних спрацьованих білків. Синтез білків здійснюється у такій послідовності: ініціація, елонгація, термінація і модифікація.

У еукаріот синтез білків здійснюється в цитоплазмі, куди крізь ядерні пори надходять мРНК, тРНК і субодиниці рибосом.

Процеси транскрипції (синтезу РНК) і трансляції (синтезу поліпептидів) відокремлені ядерною оболонкою, тому вони проходять не одночасно.

Перенос інформації з ДНК на посередник називається транскрипцією. Це – перший етап біосинтезу. Транскрипція у клітині відбувається в основному під час інтерфази і реалізується у два етапи. Всі молекули ДНК кожної клітини містять інформацію про амінокислотний склад всіх необхідних організму білків. Оскільки ДНК не може переміщюватися до місця синтезу білків у цитоплазму, для того, щоб керувати цим процессом, інформація про структуру білків передається через посередників: молекули мРНК. В ході транскрипції утворюється всі три типи РНК – матрична, транспортна і рибосомна. РНК-полімераза починає синтезувати новий ланцюг з спеціальної послідовності нуклеотидів ДНК – промотора і закінчує його на іншій спеціальній послідовності – термінаторі. У прокаріот швидкість полімеризації при 370С складає приблизно 30-45 нуклеотидів за секунду, тому синтез ланцюга РНК довжиною 5000 нуклеотидів триває біля 3 хвилин.

Зчитування спадкової інформації регулюється спеціальними білками. Гістонові білки не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами, тому що перешкоджають зчитуванню генетичної інформації. Початок зчитування інформації пов'язано зі звільненням визначеної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів. Цей процес здійснюється з допомогою спеціальних білків, які прикріплюються до визначених ділянок ланцюга ДНК. Вони фосфорилюються і отримують негативний заряд, завдяки чому сполучаються з позитивно зарядженими гістонами і від'єднують їх з нитки ДНК. Ген стає доступним для ферментів транскрипції.

 

№30Роль аміноацил т-РНК -синтетази в трансляції

Трансляция (от лат. translatio — перевод) — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой.

Аміноацил-тРНК-синтетаза (АРСаза) - фермент синтетаза, що каталізує утворення аміноацил-тРНК в реакції етерифікації певної амінокислоти з відповідною їй молекулою тРНК. Для кожної амінокислоти існує своя аміноацил-тРНК-синтетаза.

АРСази забезпечують відповідність нуклеотидних триплетів генетичного коду (антикодон тРНК) вбудовуваних в білок амінокислот, і, таким чином, забезпечують правильність того, що відбувається в подальшому зчитування генетичної інформації з мРНК при синтезі білків на рибосомах.

Механізм

Синтез білка є основою життєдіяльності клітини. Для здійснення цього процесу в клітинах всіх без винятку організмів є спеціальні органели - рибосоми. Рибосоми являють собою рібонуклеопротєїдних комплекси, побудовані з 2 субодиниць: великої і малої. Функція рибосом у впізнаванні трибуквених (трехнуклеотідних) кодонів мРНК, зіставленні їм відповідних антикодон тРНК, несучих амінокислоти, і приєднання цих амінокислот до зростаючої білкової ланцюга. Рухаючись вздовж молекули мРНК, рибосома синтезує білок у відповідності з інформацією, закладеною в молекулі мРНК.

Для впізнавання амінокислот в клітці є спеціальні «адаптери», молекули транспортної РНК (тРНК). Ці молекули, що мають форму конюшини, мають ділянку (антикодон), комплементарний кодону мРНК, а також іншу ділянку, до якого приєднується амінокислота, що відповідає цьому кодону. Приєднання амінокислот до тРНК здійснюється в енерго-залежної реакції ферментами аміноацил-тРНК-синтетазами, а отримана молекула називається аміноацил-тРНК. Таким чином, специфічність трансляції визначається взаємодією між кодоном мРНК і антикодоном тРНК, а також специфічністю аміноацил-тРНК-синтетаз, приєднується амінокислота суворо до відповідних їм тРНК (наприклад, кодону GGU буде відповідати тРНК, що містить антикодон CCA, а до цієї тРНК буде приєднуватися тільки амінокислота гліцин).

Механізми трансляції прокаріотів і еукаріотів істотно відрізняються, тому багато речовини, що пригнічують прокаріотичних трансляцію, в значно меншій мірі діють на трансляцію вищих організмів, що дозволяє використовувати їх у медичній практиці як антибактеріальні засоби безпечні для організму ссавців.