Доказательства роли ДНК в наследственности

Известно  содержание антикодонов всех 22 тРНК Каждый антикодон в случае митохондриального  генетического кода способен спариваться  с несколькими кодонами мРНК. Например, антикодон УАГ спаривается с кодонами ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА и ЦУТ, кодирующими лейцин. 22 антикодона тРНК спариваются с 60 кодонами иРНК. Установлено, что митохондриальные тРНК подвержены «редактированию» (модификации транспорта тРНК) путем полиаденилирования, в результате чего создаются антикодоны терминации.

Генетический  код ДНК и белоксинтезирующий аппарат хлоропластов несколько  отличны от кода и белоксинтезирующего  аппарата митохондрий.

Прежде  всего хлоропластный код кодирует намного больше белков по сравнению  с митохондриальным кодом. Рибосомы хлоро-палстов сходны с рибосомами кишечной палочки, а синтез полипептидной цепи начинается с N-формилметионина (как и у бактерий).

 

15

Экспрессия  генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадиипосттрансляционных модификаций белков.

Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию  и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме.

 

 

Биосинтез белка (трансляция) делится на три этапа: инициация, элонгация и терминация.  
На этапе инициации происходит сборка трансляционного комплекса: к инициирующему триплету мРНК (AUG) присеодиняется малая субъединица рибосомы, к этому же триплету присоединяется тРНК с аминокислотой метионином. Далее последовательно прсоединяются белковые факторы инициации, магний, большая субъединица рибосомы и GTP. Трансляционнный комплекс готов. В собранной рибосоме на этом этапе выделяют два центра А и Р. В Р-центре сейчас находится тРНК с метионином, А центр свободен.  
Этап элонгации в свою очередь состит из трех последовательных стадий: 1) присоединение аа-тРНК, 2) транспептидация и 3) транслокация.  
1) в А центр присоединяется аминоацил-тРНК с аминокислотой, соответствующей тому триплету, который находится в этом центре (тРНК присоединяется к кодону (триплету) мРНК с помощью комплементарного участка, который называется антикодон), таким образом первичная структура белка будет зависеть от последовательности нуклеотидов в мРНК (а значит, изначально в ДНК).  
2) происходит образование петидной связи между метионином и второй аминокислотой, метионин "отрывается" от своей тРНК и перносится на аминокислоту в А-центр. Т.е. Р-центр сейчас свободен, в А-центре находится т-рнк с дипептидом.  
3) Происходит передвижение рибосомы вдоль мРНК на один триплет. При этом Р-центр перемещается на тот триплет, который был в А-центре, в А-центр попадает следующий триплет. Таким образом, теперь в Р-центре дипептид, А-центр свободен. Далее все три стадии элонгации повторяются: присоединяется новая аминоацилТРНК с аминокислотой, образуется пептидная свзь, рибосома смещается еще на триплет.  
Стадия терминации начинается тогда, когда в А-центре оказывается один из трех стоп-кодонов (триплеты не соответствующие ни одной кислоте). Тогда к рибосоме присоединяется фактор терминации, который способствует отсодинению получившегося полипептида от трнк. полипептид и тРНК покидают рибосому, рибосома "разваливается" на субъединицы.  
Далее происходят посттрансляционные модификации белка, но это уже совсем другая истори

Рибосомный этап синтеза белка 
 
 
Следующий этап проходит с участием рибосом и поэтому называется рибосомным. Он катализируется самой рибосомой без участия экзогенных ферментов. Итак, рибосома в процессе биосинтеза белка принимает кодированную генетическую информацию от ДНК в виде мРНК и расшифровывает ее, катализирует образование пептидных связей в реакции транспептидации, передвигает цепь мРНК и молекулы тРНК. Таким образом, рибосома – это сложная белоксинтезирующая частица, обладающая генетической (декодирующей), энзиматической (образование пептидных связей) и механической (передвижение мРНК) функциями. 
 
Химически рибосома представляет собой рибонуклеопротеид. Она состоит из комплекса рибосомных РНК и белков. Физически рибосома представляет собой компактную частицу. Функционально – это молекулярная машина, протягивающая вдоль себя цепь мРНК, считывающая закодированную в мРНК генетическую информацию и параллельно, в соответствии с кодом, синтезирующая полипетидную цепь белка из поступающих в нее аминокислотных остатков. Электронно-микроскопическое изображение рибосомы показывает, что она состоит из двух неравных частиц – большой и малой, довольно лабильно ассоциированных друг с другом. Рибосомные РНК концентрируются ближе к центру частиц, а рибосомные белки занимают периферию. Каждая рибосомная частица содержит много белков и все они разные. Основная морфологическая черта электронно-микроскопических изображений рибосомы – это борозда, разделяющая две рибосомные частицы. В одном месте она расширяется, образуя так называемый “глаз”. В этой полости размещаются основной субстрат рибосомы – тРНК. 
 
Теперь рассмотрим отдельно малую субъединицу рибосомы. Она разделяется глубокой бороздой на головку и тело. В ней размещается участок связывания мРНК и через нее цепь мРНК протягивается от одного конца к другому в процессе трансляции. В большой субъединице рибосомы тоже есть борозда, разделяющая головку и тело. В ней располагается главный каталитический центр рибосомы, осуществляющий синтез полипептидных цепей. Трансляция состоит из трех стадий : инициации, элонгации и терминации (рис. 33). Самым ответственным этапом является инициация. Для осуществления ее в клетке имеются специальные механизмы. 
 
Трансляция начинается с того, что мРНК связывается с рибосомной частицей. При этом рибосомная частица (у прокариот прямо и непосредственно, а у эукариот после некоторого скольжения вдоль некодирующей части мРНК) специфически взаимодействует с началом кодирующей нуклеотидной последовательности мРНК, с кодоном AUG. Вслед за инициацией рибосома последовательно триплет за триплетом считывает цепочку мРНК, по направлению к 3’-концу, наращивая цепочку полипептида. Этот этап называется элонгацией. Достигнув стоп-кодона, рибосома освобождает синтезированную цепь – это терминация трансляции. 
 
 
Характерной особенностью инициации трансляции является то, что на этом этапе участвуют не целые рибосомы, а только их отдельные субъениницы (рис. 34). Поэтому, чтобы началась трансляция, рибосома должна диссоциировать на две ее составляющие части. Именно малая единица рибосомы, и только она, связывается с мРНК и удерживает ее. При этом в связывании с мРНК вовлечен участок в 30 нуклеотидов, но в каждый момент только две тРНК могут разместиться в рибосоме. Большая единица рибосомы с мРНК никак не взаимодействует.  
 
Все начинается со связывания инициаторной метиониновой тРНК в Р-участке рибосомы с кодоном AUG (рис. 34). Этот же кодон кодирует метионины, находящиеся повсюду в молекуле белка. Оказывается, существуют две разные тРНК для метионина. Одна для инициации, а другая – для добавления метионина в процессе элонгации. Инициаторная тРНК имеет структурные особенности, которые распознаются белковым фактором инициации IF2. Последний и доставляет ее к инициаторному комплексу. Элонгаторная метиониновая тРНК распознается другим белковым фактором, который также доставляет ее к рибосоме.  
 
На рибосоме имеются два участка связывания с тРНК. А-участок, акцепторный, т. е. участок, который может быть занят очередной вновь поступающей аминоацил-тРНК. До того, как в А-участок придет аминоацил-тРНК, в этот участок входит триплет (кодон), кодирующий аминокислоту, которая должна быть включена в пептид.Другой участок Р-участок - пептидил-тРНК-связывающий, или донорный (рис. 35).  
 
Механизм элонгации заключается в следующем. Инициаторная тРНК поступает в Р-участок. Затем в А-участок малой субъединицы рибосомы поступает тРНК, нагруженная той аминокислотой, которая кодируется следующим за инициаторным кодоном. Получается, что два аминокислотных остатка, каждый из которых присоединен к соответствующей тРНК, находятся вблизи рибосомной пептидилтрансферазы. В таком состоянии происходит реакция транспептидации, т. е. переход метионина из Р-участка рибосомы на свободную аминогруппу аминокислоты в А-участке. В Р-участке тРНК остается ненагруженной аминокислотой, поэтому она высвобождается. Далее тРНК движется из участка А в Р, таща за собой связанный 
 
 
 
 
с ней триплет мРНК. Так цепь мРНК протаскивается относительно рибосомы ровно на один триплет. В этом процессе участвует фактор EF-G (транслоказа) и теперь в А-участке устанавливается смежный с предыдущим триплет нуклеотидов, то есть следующий кодон. 
 
 
 
 
Рис. 35. Элонгация трансляции. 
 
 
Все готово для следующего раунда элонгации. Далее аналогичным способом аминоацил-тРНК, соответствующая вновь установленному в А-участке кодону, связывается с ним.Полипептидная цепь удлиняется на одну аминокислоту, на ту, которая принесена тРНК в А-участок. Сама тРНК, принесшая эту аминокислоту, так и остается с ней связанной, а следовательно связанной и с удлиненным полипептидом. За образование пептидных связей отвечает большая единица рибосомы. В элонгации участвует много белковых факторов – EF-Tu, EF-G и другие. Все они обладают ГТФ-азной активностью.  
 
Итак, мы видим, что на всех этапах синтеза белка работают механизмы, отвечающие за точность этого процесса. Хотя следует заметить, что ошибка в биосинтезе белка не имеет серьезных последствий, так как образуется множество молекул белков. Другими словами, эти ошибки не имеют таких далеко идущих последствий, как ошибки при репликации ДНК.

 

16

Живой мир в целом  использует две глобальных стратегии  регуляции 

биосинтеза белка. Одна основана на немедленном использовании

производимой генами мРНК и ее быстром разрушении, так  что переключение с 

одной программы синтеза  белка на другую осуществляется путем  включения и 

выключения генов (уровень  транскрипции). Энергетически и организационно

выгоднее сменить матрицу-РНК, чем позднее изменять каждую из

синтезированных по этой матрице белковых молекул. В основном эту 

стратегию (транскрипция – деградация) используют прокариоты.

У эукариот дополнительно  существует и другая стратегия – наработка

мРНК не по потребности  данного момента, а заранее, впрок. Такие 

метаболически стабильные мРНК могут храниться в неактивной форме, не

участвуя в трансляции. Когда определенный белок становится нужен – мРНК

активируется, когда необходимость в продукте трансляции исчезает – мРНК

может быть инактивирована.

Так как большинство  регуляторных механизмов так или  иначе связаны со

стадией транскрипции, то основное внимание в пособии уделяется  механизмам

регуляции синтеза белков именно на транскрипционном уровне. Рассмотрены

также некоторые аспекты  регуляции, осуществляемой на трансляционном и 

посттрансляционном уровнях. Сведения о регуляции на уровне репликации для 

заинтересованного читателя изложены в Приложении 1.

Принципы регуляции синтеза белка как у про-, так и у эукариот

подчиняются общим кибернетическим  принципам, применимым также и для 

других биологических  процессов. Так, регуляция синтеза  белка происходит на

 основе кибернетического  принципа обратной связи, то  есть у клетки имеется

способ для сообщения  о результате, полученном после изменения  белкового 

синтеза. Обратные связи  могут быть положительными (упрощенно: “чем

больше вещества А, тем  сильнее его синтез”), и отрицательными (чем больше

А, тем слабее его синтез

 

17

Представления о расположении генов на хромосомах (в группах сцепления) сводятся к  тому, что они располагаются в  линейном порядке, причем, чем больше расстояние между генными локусами, тем большей является частота  кроссинговера между ними и наоборот, линейный порядок генов характерен для групп сцепления всех организмов, включая человека, и определяет принципы построения генетических карт хромосом, которые представляют собой графическое изображение расстояний между генами в группах сцепления. Эти расстояния выражают в процентах рекомбинации, поэтому они являются генетическими. Однако их измеряют и в единицах длины ДНК. На основе представлений о линейном расположении генов строят также цитологические карты хромосом, которые позволяют представить локализацию многих генов в физических районах хромосом. В последние годы эти классические методы построения генетических и цитологических карт дополнены секвенированием генов и составлением физических карт.

В конце 20-х гг. в нашей стране в коллективе А. С. Серебровского (1892-1948) возникла идея о дробимости гена. Тогда же Н. П. Дубинин открыл у дрозофилы явление ступенчатого алле-лизма и на основе результатов изучения этого явления сформулировал представления о сложном строении генов. Эти представле-. ния указывали на то, что линейный порядок характерен не только для расположения генов на хромосомах, но и для организации генетического материала внутри генов. В 50-е гг. в Англии Г. Понтекорво и его сотрудники установили, что у аспергилл ген состоит из многих мутационных мест (сайтов), разделяемых рекомбинацией. Тогда же С. Бензер (США) показал, что у фага Т4 функциональной единицей генетического материала является наименьший сегмент ДНК (800-1200 пар оснований), мутация которого сопровождается мутантным фенотипом. Этот сегмент был назван цистроном.

Приведенные выше данные показали, что наименьшей генетической единицей является пистрон, который, как стали считать, детерминирует  синтез одного полипептида. У прокариот  гены функционально активны на всем протяжении. Однако у эукариот сегменты ДНК, соответствующие индивидуальным генам, характеризуются мозаичностыо . Эта мозаичность определяется наличием в генах эксонов, кодирующих белки, и интронов, лишь переписываемых в мРНК, но не транслируемых. Во многих генах обнаружено по нескольку интронов

с овременное представление о гене

Хромосома любого организма, будь то бактерия или человек, содержит длинную непрерывную цепь ДНК, вдоль которой расположено  множество генов. Установление количества генов, их точного местоположения на хромосоме и детальной внутренней структуры, включая знание полной нуклеотидной последовательности, - задача исключительной сложности и важности.

Организация генома.

Различные организмы  резко отличаются по количеству ДНК, составляющей их геномы. У вирусов  в зависимости от их величины и сложности размер генома колеблется от нескольких тысяч до сотен пар нуклеотидов. Гены в таких просто устроенных геномах расположены один за другим и занимают до 100% длины соответствующей нуклеиновой кислоты(РНК и ДНК). Для многих вирусов установлена полная нуклеотидная последовательность ДНК. У бактерий размер генома значительно больше. У кишечной палочки единственная нить ДНК – бактериальная хромосома состоит из 4,2х106(6 степень) пар нуклеотидов. Более половины этого количества состоит из структурных генов, т.е. генов, кодирующих определенные белки. Остальную часть бактериальной хромосомы составляют неспособные транскрибироваться нуклеотидные последовательности, функция которых не вполне ясна. Подавляющее большинство бактериальных генов уникальны, т.е. представлены в геноме один раз. Исключение составляют гены транспортных и рибосомальных РНК, которые могут повторяться десятки раз. 
Геном эукариот, особенно высших, резко превышает по размерам геном прокариот и достигает, как отмечалось, сотен миллионов и миллиардов пар нуклеотидов. Количество структурных генов при этом возрастает не очень сильно. Количество ДНК в геноме человека достаточно для образования примерно 2 млн. структурных генов. Реально имеющееся число оценивается как 50-100 тыс. генов, т.е. в 20-40 раз меньше того, что могло бы кодироваться геномом такого размера. Следовательно, приходится констатировать избыточность генома эукариот. Причины избыточности в настоящее время в значительной степени прояснились: во-первых, некоторые гены и последовательности нуклеотидов многократно повторены, во-вторых, в геноме существует много генетических элементов, имеющих регуляторную функцию, в-третьих, часть ДНК вообще не содержит генов

Строение гена.

Согласно современным  представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. Прежде всего это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор – последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов. 
Важная особенность эукариотических генов – их прерывность. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни – экзоны – это участки ДНК, которые несут информацию и строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие – интроны – не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулы и-РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов – «ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и-РНК осуществляется специальными ферментами и получил название Сплайсинг (сшивание, сращивание).

Экзоны обычно соединяются  вместе в том же порядке, в котором  они располагаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариот прерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериальным, наблюдается полное соответствие нуклеотидов последовательности первичной структуре кодируемых ими белков. Таким образом, ген эукариот во многом похож на оперон прокариот, хотя и отличается от него более сложной и протяженной регуляторной зоной, а также тем, что он кодирует обычно только один белок, а не несколько, как оперон у бактерии.

18Антибиотики считаются в основном бактериостатическими агентами, т.е. ингибиторами роста, хотя некоторые из них обладают выраженным бактерицидным или даже бактериолитическим действием. Многие антибиотики, например актиномицин, высокотоксичны по отношению к тканям животного организма и применяются только в качестве противоопухолевых препаратов; другие, в частности пенициллины, совсем нетоксичны либо (как стрептомицин) обладают лишь слабой токсичностью. Антибиотики широкого спектра действия (например, тетрациклины) нарушают нормальную микробную флору кишечника и могут вызывать желудочно-кишечные расстройства или способствовать вторичным инфекциям. Некоторые нерастворимы в воде и потому применяются лишь для лечения поверхностных или местных инфекционных процессов. Одни (например, тиротрицин) обладают гемолитическим действием, т.е. разрушают эритроциты; другие (например, имипимен), напротив, инактивируются клетками организма. (Фермент, инактивирующий имипимен, в настоящее время известен; введение имипимена вместе с ингибитором этого фермента позволяет сохранить высокую активность антибиотика по всему спектру действия.) Поскольку антибиотикам присуща избирательная антибактериальная активность, ни один из них не может применяться как общее дезинфицирующее средство против любых бактерий. Пенициллин и эритромицин активны в основном против кокковых форм и различных грамположительных бактерий, а стрептомицин – против туберкулезной палочки. Пенициллин и стрептомицин относительно слабо действуют на грибковую флору и вирусы, хотя первый обладает некоторой активностью против крупных вирусов, например против вируса пситтакоза, а второй – против некоторых риккетсий и возбудителей тропической паховой гранулемы. Однако ряд антибиотиков, в первую очередь тетрациклины, действуют на многие грамположительные и грамотрицательные бактерии, а также на риккетсии и крупные вирусы. Некоторые антибиотики обладают высокой противогрибковой активностью, тогда как другие – противоопухолевым действием.