Молекулярные основы наледовательности

ДНК    →   иРНК    →   белок   →признак.

Этапы синтеза белка

1. Транскрипция – синтез иРНК
2. Активация аминокислот и соединение с тРНК
3. Трансляция - синтез первичной структуры белка в рибосоме
4. Посттрансляционные процессы образование пространственных структур белка (вторичной, третичной, четвертичной), модификация аминокислот.

Транскрипция.

Транскрипция – это синтез иРНК. У эукариот трнаскрипция имеет свои осрбенности.

Ген эукариот состоит из экзонов и интронов. Интроны – не кодируют белок. Они вырезаются из иРНК. Таким образом, транскрипция у эукариот включает два этапа:

1. Синтез про-иРНК (незрелой иРНК), которая полностью комплементарна гену.
2. Процессинг-созревание иРНК.    Процессинг включает:

• сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов),

• образование кэпа и поли-А-хвоста. Кэп (модифицированный гуанин) прикрепляется к начальному концу иРНК, поли-А-хвост – большое количество А-нуклеотидов прикрепляются к концу иРНК. Кэп и хвост обеспечивают стабильность иРНК в цитоплазме.

Активация аминокислот и соединение с тРНК.

В клетках эукариот около 50 видов РНК (в связи с избыточностью генетического кода). Каждая тРНК имеет антикодон (для взаимодействия с кодоном иРНК)  и акцепторный участок (куда присоединяется аминокислота). Соединение тРНК с аминокислотой катализирует фермент аминоацил-тРНК –синтетаза. Процессу предшествует активация аминокислот (соединение с остатком АТФ -АМФ). 
Аминокислота+АТФ= Аминокислота+АМФ (АК+АМФ) 
АК+АМФ  +ТРНК =АК+ТРНК +АМФ

Трансляция.

Трансляция – синтез первичной структуры белка в рибосоме. Этапы трансляции:

1. Инициация – начало трансляции. Рибосома соединяется с иРНК и захватывает два кодона (первый – инициальный -оказывается в пептидильном центре). К инициальному триплету подходит тРНК с инициальным метионином. Образуется инициальный комплекс- рибосома, инициальный триплет, тРНК
2. Элонгация – синтез полипептида. Ко второму кодону иРНК подходит вторая тРНК с аминокислотой. Если антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК, две аминокислоты соединяются пептидной связью. Затем первая тРНК выходит из рибосомы, рибосома перемещается на один триплет вперед. К этому триплету подходит новая тРНК  с аминокислотой. Если антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК, то между двумя последними аминокислотами вновь образуется пептидная связь и процесс повторяется. Процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона
3. Терминация транскрипции – окончание. Рибосома доходит до стоп-кодона. Синтез полипептида останавливается.
4. Посттрансляционные процессы- образование вторичной, третичной, четвертичной структуры белка, модификация аминокислот Процесс может идти в цитоплазме, гранулярной ЭПС, комплексе Гольджи. После того как белок образовал третичную или четвертичную структуру, он может выполнить свои функции.

Регуляция экспрессии генов у прокариот. Оперон.

У прокариот кольцевидная ДНК, которая кодирует небольшое количество белков (у кишечной палочки более  4000). Для многих генов характерна оперонная регуляция активности.

Оперон – это группа структурных генов, которые кодируют белки-ферменты одного метаболического процесса и работы которых находится под контролем общих регуляторных генов. Опероны позволяют маленькой ДНК кодировать много белков.

Оперон был открыт в 1961 г. французскими учеными Жакобом и Моно. Они открыли лактозный оперон у кишечной палочки. Если кишечную палочку поместить в среду, содержащую лактозу, то она начинает вырабатывать три фермента, участвующих в метаболизме лактозы.

Ферменты кодируют три структурных гена:

• lacZ - галактозидаза – расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу
• Lac Y –фермент пермеаза (обеспечивает поступление лактозы в клетку)
• lacA – трансацетилаза, участвует в удалении из клетки токсичных продуктов расщепления лактозы.

Структурные гены находятся в окружении регуляторных генов:

• Ген-регулятор – кодирует белок-репрессор
• Ген-промотор – место присоединения РНК-полимеразы для начала транскрипции
• Ген-оператор. Если к нему присоединен белок-репрессор, то он блокирует транскрипцию.
• Терминатор – на нем заканчивается транскрипция.

 

Оперон инактивирован, если белок-репрессор соединен с геном-оператором. Оперон в активном состоянии если в клетку попадает лактоза. Она соединяется с белком-репрессором и инактивирует его. Начинается синтез трех ферментов. 

Отличия организации генома и экспрессии генов 
у прокариот и эукариот

Прокариоты	Эукариоты
ДНК кольцевидной формы, не соединена с белками, расположена в цитоплазме	ДНК линейная,соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, находится в ядре клетки
В генах нет интронов	Есть интроны
Мало генов (у кишечной палочки около 4000)	Много генов (у человека до 30000)
Есть опероны	Нет оперонов Каждый ген окружен группой регуляторных генов

 

Регуляция экспрессии гена у эукариот.

В каждой клетке у эукариот экспрессируется 7-10% всех генов. Остальные гены находятся в репрессированном (неактивном) состоянии. У эукариот преобладает так называемый позитивный генетический контроль, при котором основная часть генома репрессирована, и регуляция идет путем активации необходимых генов.

На уровне транскрипции регуляция может идти следующими путями:

• Амплификация (увеличение числа копий) гена;
• Связывание с промотором факторов  транскрипции  - белков, облегчающих или затрудняющих транскрипцию;
• С помощью регуляторных генов -энхансеров и сайленсеров;
• Влияние гормонов, которые часто служат активаторами транскрипции; например, стероидные гормоны проникают в цитоплазму клетки, соединяются со специальным белком-рецептором, поступаю в ядро и активируют несколько генов.
• Альтернативный сплайсинг – из одной про-иРНК могут вырезаться разные интроны
• Метилирование нуклеотидов ДНК, в основном, в области промотора, богатой ГЦ-парами; это делает невозможным присоединение факторов транскрипции к промотору и выключает ген;
• Ацетилирование белков - гистонов, что уменьшает степень связывания с ними ДНК и облегчает транскрипцию.

Контроль на уровне трансляции

• Идет путем регуляции образования комплекса мРНК — стартовая тРНК— рибосома и изменении времени жизни иРНК за счет различных цитоплазматических факторов.
• С помощью микроцитоплазматических РНК – маленьки РНК, которые соединяются с иРНК и блокируют трансляцию
• Регуляция образования белков возможна и путем изменения быстроты и активности посттрансляционной модификации полипептидной цепи

Репарация ДНК

Репарация ДНК – это исправление ошибок ДНК. Если ошибки остаются, то они могут привести к генным мутациям и генным болезням. Репарация поддерживает генетическую целостность организма и их выживание

1) Фоторепарация у прокариот. Облучение клетки ультрафиолетовыми лучами вызывает образование в ДНК тиминовых димеров. УФ лучи активируют фермент фотореактивации, который связывается с тиминовыми димерами и разрывают их.

2) Эксцизионная репарация у прокариот  и эукариот -  ферменты-нуклеазы вырезают ошибочное основание или участок поврежденной цепи ДНК, фермент ДНК-полимера 1 типа встраивает нормальные нуклеотиды, ферменты лигазы сшивают фрагменты.

3) Репарация во время репликации  – самокоррекция ДНК

4) Пострепликационная репарация – если не удалены ошибочные нуклеотиды во время репликации, то происходит рекомбинация поврежденной цепи с цепью ДНК во второй дочерней молекуле и ошибка устраняется

5) SOS-репарация – при репликации ДНК- полимераза перескакивает место повреждения и продолжает репликацию без разрывов, но последовательность нуклеотидов меняется

Болезни репарации ДНК.

При нарушении репарации ДНК в клетках накапливаются мутации, что со временем приводит: 1) к развитию опухолей, 2) преждевременному старению, 3) наследственным заболеваниям – болезням репарации.

Наследственные болезни, которые обусловлены мутацией генов репарации ДНК, называются болезнями репарации ДНК. Пример - пигментная ксеродерма – генная болезнь с аутосомно-рецессивным типом наследования. У больных нарушена эксцизионная репарация ДНК, которые повреждены УФ лучами и др. мутагенами. Под действием солнечного света на коже появляются веснушки, пигментные пятна, со временем у 100% больных развивается рак кожи

 

Схема переноса генетической информации в клетке – центральная догма молекулярной биологии

1. От ДНК к ДНК – редупликация ДНК.
2. От ДНК к РНК – транскрипция.
3. Возможна передача информации от РНК на ДНК – обратная транскрипция (в жизненном цикле вирусов и у эукариот)
4. С РНК на белок – трансляция