ActionTeaser.ru - тизерная реклама

*ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

материал этой главы, вы должны уметь:

1. Охарактеризовать приведенные ниже понятия и объяснить взаимосвязь между ними:

а) генетическая информация, полинуклеотидная последовательность ДНК (РНК), синтез макромолекул, полипептид, белок, признак;

б) локус хромосомы, ген, аллели, генотип, геном, плазмон;

в) репликация, репарация и рекомбинация молекул ДНК, биосинтез бел­ка;

г) матричные процессы: репликация,транскрипция,трансляция;

д) генетический код, триплет, кодон, антикодон, стоп- и старт-сигналы;

е) роль рибосом (аминоацильного и пептидильного участков), тРНК и мРНК в биосинтезе белка;

ж) дифференциальная активность генов прокариот и дифференцировка клеток эукариот.

  1. Рассказать, как происходит в клетках реализация генетической инфор­мации.
  2. Описать процессы репликации и транскрипции ДНК.
  3. Объяснить, почему при трансляции последовательность нуклеотидов мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде.
  4. Объяснить, почему генетический код должен быть триплетным. Опреде­лять комплементарную последовательность мРНК по полинуклеотидной последовательности кодогенной цепи ДНК, а также, пользуясь таблицей кодонов РНК, находить, какая аминокислотная последовательность обра­зуется в результате трансляции.
  5. Описать, как происходит регуляция транскрипции ДНК у прокариот.
  6. Рассказать, как протекает клеточная дифференцировка у эукариот.

Полинуклеотидная последовательность ДНК практически у всех организмов (исключение составляют РНК-содержащие вирусы) является первичным носителем генетической инфор­мации. Иными словами, той суммы сведений, которая необходима для существования какого-либо организма в определенных ус­ловиях среды, а также для воспроизведения себе подобных. Прокариоты и многие вирусы содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК, все участки полинуклеотидной последовательности которой кодируют макромолекулы. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких хромосомах. Хромосома содержит одну молекулу ДНК, полинуклеотидная последовательность которой состоит из участ­ков, кодирующих и не кодирующих макромолекулы. Не- кодирующие области ДНК играют структурную роль, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом. Другая часть некодирующей ДНК является регуляторной и участвует во включении генов, направляющих синтез белка.

 



Структурными единицами наследственной информации, далее не делимыми в функциональном отношении, являются гены. Ген представлен участком молекулы ДНК (реже РНК), кодирующей синтез одной макромолекулы: полипептида, рРНК либо тРНК. Гены находятся в определенных участках хромосом — локусах. Информация (набор генов) клеточного ядра представляет собой генотип. Совокупность генов гаплоидного набора хромосом по­лучила название геном, а информация внеядерных ДНК (мито­хондрии,пластиды,основное вещество — цитоплазма) — плазмон.

8.1. Основные генетические процессы. Экспрессия генов

Функциональные возможности генетического материала (спо­собность сохраняться и воспроизводиться при смене клеточных поколений, реализовываться в онтогенезе и в ряде случаев изменяться) связаны с протеканием четырех генетических про­цессов — репликации и репарации ДНК, биосинтеза белка и генетической рекомбинации.

Перенос генетической информации в клетках от ДНК через различные виды РНК к полипептидам и белкам называют экспрессией (проявлением) генов. Образующиеся при биосинтезе белка полипептидные цепи определяют признаки клеток, формируя белковые структуры или управляя процессами обмена веществ в качестве ферментов.

8.2. Репликация ДНК

Репликация, или идентичное удвоение, ДНК происходит перед каждым нормально протекающим делением у эукариот (ДНК ядер, митохондрий, пластид), перед каждым делением про- кариотических клеток и размножением ДНК-вирусов.Таким обра­зом, репликация является необходимой предпосылкой для сохра­нения имеющейся наследственной информации в ряду последова­тельных поколений клеток и организмов. Синтез макромолекул ДНК, а также РНК и белков происходит по типу матричного процесса, т.е новые молекулы синтезируются в точном соот­ветствии с химической структурой уже существующих молекул. Во время репликации ДНК каждая из двух ее цепей служит матрицей для образования новой цепи (рис. 2.3).

В качестве предшественников (мономеров) для построения новой ДНК в клетке синтезируются трифосфаты четырех дезоксирибонуклеозидов: дАТФ, дТТФ, дЦТФ, дГТФ. Реп­ликация ДНК начинается с раскручивания двойной спирали и разделения ее цепей за счет ферментативного разрыва водородных связей между спаренными основаниями. Фермент ДНК-полимераза движется кдоль каждой из цепей, связывая между собой нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам старой цепи.

8.3. Синтез белков

Признаки клеток и организма — фенотип — обусловлены синтезируемыми специфическими структурными белками и фер­ментами, ответственными за определенные этапы обмена веществ. В результате из предшественников, поступающих в клетки из окружающей среды, образуются конечные продукты, от которых зависит проявление специфических признаков, т.е структурных и функциональных особенностей. Одним из первых этапов на пути формирования признаков являются транскрипция и трансляция.

8.3.1. Транскрипция ДНК

Синтез РНК-копий по матрице одной из цепей того или иного полинуклеотидного участка молекулы ДНК называют транскрипцией (рис. 8.1). Транскрипция начинается после присо­единения фермента РНК-полимеразы к специфической нукле- отидной последовательности (промотору), отмечающей в ДНК то место, с которого должен начаться синтез РНК. Присоединившись, РНК-полимераза раскручивает примерно один виток спирали ДНК и движется, связывая между собой нуклеозидтрифосфаты (ЦТФ, ГТФ, УТФ, АТФ), комплементарные нуклеотидам матричной цепи ДНК. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды к растущей цепи РНК до тех пор, пока не встретит на своем пути еще одну специфическую нуклеотидную последовательность в цепи ДНК — так называемый стоп-сигнал. Обычно в любом участке двойной спирали ДНК транскрибируется только одна (ее называют кодогенной) из двух цепей ДНК.

На ДНК-матрице образуется три вида РНК: информационная, или матричная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). В виде мРНК генетическая информация для синтеза полипептида передается от ДНК к рибосомам; тРНК доставляют к рибосомам аминокислоты (каждую аминокислоту доставляет особый, именно для нее предназначенный вид тРНК). Главным компонентом рибосом является рРНК.

8.3.2. Трансляция мРНК

Молекула мРНК образуется в результате транскрипции одного из генов. Процесс, посредством которого генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов мРНК переводится в последовательность аминокислот в полипептиде, называют тран­сляцией. Различные типы РНК взаимодействуют в процессе трансляции на основе генетической информации, закодированной в молекулах ДНК и РНК. 90

8.3.3. Генетический код

Генетический код — принцип записи информации о последо­вательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов в молекулах РНК и ДНК. В ДНК или РНК имеется четыре вида нуклеотидов. В состав белковых молекул входит 20 аминокислот. Чтобы их закодировать, необходимо сочетание четырех видов нуклеотидов по три (43 = 64).


Три нуклеотида, образующие кодовый знак, называют трипле­том. Триплеты в молекуле РНК называют кодонами, а компле­ментарные им триплеты молекул тРНК — антикодонами. Виды триплетов мРНК показаны в табл.8.1. Из 64 триплетов 3 не кодируют аминокислот: УАА, УАГ, У ГА. Это стоп-сигналы, прекращающие синтез полипептидной цепи. Остальные 61 триплет кодируют аминокислоты, причем триплет АУГ является стартовым кодоном: с него начинается трансляция. Таким образом, многие

Аминокислоты обозначены следующим образом: Ала — аланин, Арг — аргинин, Асн — аспарагин, Асп — аспарагиновая кислота, Вал — валин, Гис — гисгидин, Гли — глицин, Глн — глутамин, Глу — глутаминовая кислота, Иле — изолейцин, Лей — лейцин, Лиз — лизин, Мет — метионин, Про — пролин, Сер — серин, Тир — тирозин, Тре — треонин, Три — триптофан, Фен — фенилаланин, Цис — цистеин.

аминокислоты кодируются более чем одним кодоном; в этом смысле код является вырожденным. Генетический код универсален для клеток и вирусов.

8.3.4. Процесс синтеза белка

Трансляция заключается в отождествлении каждой амино­кислоты синтезируемого полипептида с определенной последова­тельностью из трех нуклеотидов в мРНК. В этом процессе декодирования важную роль играют два вида посредников. В клетках существует специальный набор ферментов — аминоацил- тРНК-синтетаз, при помощи которых аминокислота присоединя­ется к соответствующей молекуле тРНК. Это является необ­ходимой предпосылкой безошибочного хода биосинтеза белков, так как молекулы тРНК играют роль второго посредника и находят с помощью своих антикодонов соответствующие кодоны мРНК по принципу спаривания оснований.

Основное событие в синтезе белка — реакция, приводящая к образованию пептидных связей между карбоксильной группой на конце растущей полипептидной цепи и свободной аминогруппой аминокислоты. Этот процесс эффективно происходит лишь в том случае, если молекулы мРНК и тРНК связываются с соответст­вующими функциональными центрами рибосом (рис. 8.2).

В рибосомах имеются бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь, и бороздка, удерживающая молекулу мРНК. В рибосоме существует также два различных участка, связыва­ющих молекулы тРНК. Один из них фиксирует молекулу тРНК, присоединенную к растущему концу полипептидной цепи, поэтому его называют пептидильным (Р) участком. Второй служит для удержания только что прибывшей молекулы тРНК с аминокисло­той, его называют аминоацильным (А) участком.

Для начала синтеза полипептида малая субчастица рибосомы должна соединиться с инициаторной тРНК. Антикодон инициатор- ной тРНК позволяет малой субчастице присоединиться к старт- кодону АУГ мРНК, после чего происходит соединение большой и малой субчастиц и формируется функциональная рибосома. Молекула инициаторной тРНК и связанный с ней метионин оказываются в Р-участке рибосомы. В А-участок входит следу­ющий кодон мРНК (например, ГУГ; рис. 8.2). За счет комплементарного спаривания нуклеотидов кодона и антикодона тРНК валин попадает в А-участок. Посредством специального фермента, находящегося в рибосоме, карбоксильная группа метионина присоединяется к аминогруппе валина и образуется дипептид, связанный с тРНК валина. Затем кодон ГУГ переходит в Р-участок; А-участок освобождается для следующего кодона. Снова происходит спаривание оснований кодона и антикодона. В аминоацильный участок рибосомы попадает серин. Образуется пептидная связь между валином и серином. Далее считываются триплет за триплетом

Таким образом, последовательность нуклеотидов в мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде. Обра­зование пептидных связей прекращается, когда рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов. Особый белковый фактор освобож­дения связывается со стоп-кодоном, попавшим в А-участок рибосомы. Вследствие этого белковая цепь отделяется от тРНК, покидает рибосому и поступает в цитоплазму.

 

8.4. Элементы регуляции экспрессии генов

Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Различия между типами клеток обусловлены главным образом тем, что в дополнение к многочисленным белкам, необходимым любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют свой набор специализированных белков: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, т.е. к дифференцировке. Дифференцировка почти всегда необратима, кроме того, высо- кодифференцированные клетки, как правило, производят большее количество белков одного или всего нескольких типов. Можно предположить, что клеточная дифференцировка, возможно, свя­зана с увеличением числа или утратой каких-либо генов в геноме клеток.


Однако ни одно из этих предположений не нашло подтверж­дений. Результат эксперимента, в котором ядро клетки кишечника головастика пересаживали в яйцеклетку, где собственное ядро было удалено, свидетельствует, что дифференцированные клетки многоклеточного организма содержат последовательности ДНК, обеспечивающие возможность развития целого организма (рис. 8.3). Таким образом, лишь за небольшим исключением, клеточная дифференцировка, по-видимому, обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необ­ратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Среднее время жизни молекул мРНК ограничено. Затем они расщепляются до нуклеотидов. Разрушая старые мРНК и образуя новые, клетки довольно строго могут регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Это регуляция на уровне транскрипции.

Возможна также регуляция на уровне трансляции, главным образом у эукариот. В этом случае регуляция определяет, какие мРНК транслируются рибосомами и как часто они транслируются. В зависимости от типа клетки значимость разных уровней регуляции белкового синтеза может варьировать, однако не вызывает сомнения то, что наиболее важным является механизм регуляции синтеза молекул РНК.

Контроль на уровне транскрипции у бактерий осуществляют регуляторные белки: белки-репрессоры и белки-активаторы. Они присоединяются к специфическим нуклеотидным последователь­ностям ДНК, что способствует или препятствует транскрипции генов. В транскрипционных единицах ДНК существуют перекры­вающиеся последовательности: промотор (участок связывания РНК-полимеразы) и оператор (участок связывания регуляторных белков). Соединяясь с оператором, белок-репрессор препятствует

присоединению РНК-полимеразы к промотору ДНК; в результате транскрипции прилежащего района ДНК не происходит (рис.8.4).

Белок-активатор, присоединившись к оператору, облегчает связывание РНК-полимеразы и тем самым обеспечивает транскрипцию гена. Регуляторные белки, в свою очередь, служат посредниками между средой и ДНК клетки. Некоторые вещества, проникающие в клетки, могут связываться с регуляторными белками и менять пространственную структуру этих молекул. Это либо повышает, либо понижает их сродство к ДНК и таким путем либо включает, либо выключает транскрипцию генов.

Хорошо изучена регуляция на уровне транскрипции у кишечной палочки. Ее хромосома имеет вид кольцевой молекулы ДНК и содержит около 3 млн. пар нуклеотидов. Этой информации достаточно для кодирования аминокислотных последовательностей примерно 2500 видов белков, однако в конкретный момент синтезируется только часть из них. Если кишечную палочку выращивать на искусственной питательной среде, где в качестве источника углерода и энергии используют глюкозу или сахарозу, то она не нуждается в белках-ферментах, кодируемых генами, которые ответственны за превращение лактозы, и эти гены выключены белком-репрессором. Но если перенести бактериальные клетки на среду, содержащую лактозу, то часть молекул лактозы проникнет в клетки и, соединившись с репрессором, изменит его пространственную конфигурацию. Вследствие этого репрессор не сможет связаться с ДНК, а значит, не сможет блокировать синтез РНК.

У прокариотических клеток имеются также механизмы, подавляющие активность генов, если их продукты становятся в силу каких-либо причин ненужными. Обычно бактериальные клетки синтезируют аминокислоту гистидин. Когда же гистидин в избытке накапливается в клетке, то часть его молекул связывается с молекулами неактивного белка-репрессора,изменяет его пространственную структуру так, что он выключает гены ферментов, катализирующих синтез гистидина.

У эукариот регуляция синтеза белка протекает значительно сложнее. Различия в данном случае между про- и эукариотами связаны с тем, что у эукариот наряду с регуляторными процессами, влияющими (как и у прокариот) на функции и жизненный цикл отдельной клетки, существуют и такие процессы, которые влияют на развитие всего организма. Помимо этого у прокариот транскрипция и трансляция обычно следуют друг за другом, а у эукариот молекулы РНК должны перейти из ядра в цитоплазму, на рибосомы. Очевидно,что регуляция может осуще­ствляться на многих этапах, ведущих от ДНК к белку.

Эукариотические клетки реагируют на внешние сигналы в принципе так же, как бактериальные клетки — на изменение концентрации питательных веществ в окружающей среде: путем обратимой активации или репрессии отдельных генов. Например,

стероидные гормоны сначала присоединяются к особым белкам- рецепторам в клеточной мембране. Затем комплекс рецептора с гормоном мигрирует в ядро, где он активизирует отдельные гены. Специфический для каждой клетки набор активных генов постепенно формируется в процессе индивидуального развития эукариотического организма. Характер генной экспрессии переда­ется клетками из поколения в поколение и обусловливает возникновение значительно отличающихся друг от друга клеточ­ных типов одного организма, хотя геномы этих клеток идентичны.

В типичной эукариотической клетке многоклеточного организма транскрибируемая часть генома составляет около 7%. Весьма мало вероятно, чтобы остальные 93% ДНК были заблокированы большим числом специализированных белков-реп- рессоров. Логично допустить, что клетки эукариот имеют какие-то общие механизмы репрессии генов. В большинстве же своем регуляторные белки активируют функцию генов, включая при необходимости те или иные транскрипционные единицы. Активация эукариотических генов, по-видимому, происходит в две стадии: сначала хроматин претерпевает определенные струк­турные модификации, вследствие чего происходит его частичная деконденсация, а затем в определенных участках деконденсирован- ного хроматина начинается транскрипция.

Мы рассмотрели лишь несколько аспектов дифференцировки. В целом это очень интересная и пока еще мало разработанная область биологии, в которой в ближайшем будущем можно ожидать многих открытий.

Ключевые слова и понятия

 

 

 

Аминоацил-тРНК-синтетазы Аминоацильный участок рибосомы Белки-репрессоры и -активаторы Биосинтез белка Ген

Генетическая информация Генетические процессы Генетический код Геном Генотип

Дифференцировка ДНК

Молекулы-посредники Мономеры ДНК (дАТФ, дТТФ, дЦТФ, дГТФ)

Мономеры РНК (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) Пептидильный участок рибомы Плазмон

Регуляция синтеза РНК Регуляция экспрессии гена Рекомбинация ДНК Репарация ДНК Репликация ДНК РНК (мРНК, рРНК, тРНК) Старт-сигнал Стоп-сигнал Транскрипция ДНК Трансляция мРНК Триплет Экспрессия гена


Other Posts

Рубрики: Биология

Комментарии

No Комментарии

Leave a reply

Тизерная сеть GlobalTeaser