WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 11 |

Синтез и созревание рРНК у эукариот происходит в ядрышках. Как правило, в районе вторичной перетяжки гены 28S, 18S и 5,8 S сгруппированы в одну транскрипционную единицу (кластер), которая представлена многочисленными копиями. При синтезе рРНК с каждого кластера генов рРНК сначала транскрибируются ее предшественники, так называемые про-рРНК = первичные транскрипты (гигантские молекулы 45S рРНК), которые расщепляются на зрелые молекулы, различающиеся коэффициентом седиментации: 28S, 18S и 5,8 S. Молекула же 5S рРНК синтезируется на других генах независимо от генов рибосомального цистрона и не подвергается процессингу. Три молекулы рРНК (28S, 5S и 5,8S) в комплексе с рибосомными белками входят в состав большой субъединицы, а одна (18S) - в состав малой субъединицы рибосом.

Кроме мРНК и рРНК в биосинтезе белка участвует тРНК. Молекулы тРНК выполняют роль адаптеров (носителей) аминокислот к месту сборки белка. Все тРНК как у прокариот, так и у эукариот имеют сходную структуру. Это маленькие молекулы, включающие примерно 80 нуклеотидов.

Благодаря комплементарному взаимодействию определенной части нуклеотидов, входящих в состав молекулы, через водородные связи линейная структура тРНК складывается в виде “клеверного листа”, образуя, таким образом, вторичную структуру. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК, которую они узнают с помощью ферментов. Тип тРНК определяется антикодоном (участком, состоящим из трех нуклеотидов), комплементарным кодону мРНК, ответственному за включение соответствующей аминокислоты в растущую полипептидную цепь. На противоположном антикодону конце молекулы тРНК находится акцепторный участок, к которомуприкрепляется аминокислота. Он имеет одинаковый состав у всех тРНК (CCA) на 3-конце (рисунок 13). Каждая тРНК может присоединить только ту аминокислоту, которой соответствует ее антикодон. Из-за вырожденности кода антикодон одной тРНК способен распознать несколько кодонов одной аминокислоты. При этом два первых нуклеотида кодона и антикодона связываются комплементарно, а по третьему нуклеотиду принцип комплементарности не всегда соблюдается. Так, антикодон AUG тирозиновой тРНК - может распознать и взаимодействовать со следующими кодонами мРНК: UAC или UAU, а антикодон AAG фенилаланиновой тРНК с кодонами UUU или UUC мРНК (рисунок 14).

В 1964 г. впервые была установлена полная нуклеотидная последовательность молекулы тРНК из клеток дрожжей, которая специфически соединяется с аминокислотой аланином. Свободные аминокислоты клетки не могутбыть непосредственно использованы рибосомой. Каждая аминокислота сначала активизируется. Начало взаимодействия тРНК с аминокислотой определяется образованием между ними ковалентной связи. Поскольку эта связь высокоэнергетична, необходима активизация аминокислот, т.е. их взаимодействие с АТФ под контролем фермента, специфичного для каждой аминокислоты. Эти ферменты – аминоацил-тРНК-синтетазы.

Их столько же, сколько и аминокислот – 20. Образовавшийся специфичный комплекс тРНК и соответствующей ей аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Рисунок 13. Схема строения транспортной РНК (тРНК) Синтез полипептида в каждой рибосоме достигается ее движением в цепи полисомы против движения мРНК. В мРНК существуют кодоны :

инициирующие (AUG), определяющие начало синтеза белка; терминирующие (стоп-кодоны : UAG, UAA, UGA), заканчивающие синтез белка. В собранной рибосоме имеется два участка (сайта) связывания с тРНК – 1) аминоацильный (А) – сайт присоединения аминоацил-тРНК с нагруженной аминокислотой; 2) пептидильный (Р) – сайт, который удерживает молекулу тРНК, присоединенную к растущему концу полипептидной цепи (т.е.

здесь аминокислоты связываются в полипетидную цепь). В большой субъединице рибосомы в каждый данный момент находится только два кодона мРНК – один в аминоацильном, а один в пептидильном центрах.

Молекулы мРНК начинают свою связь с рибосомой через малую субъединицу, образуя с ней (с помощью ферментов) инициирующий комплекс. Сама полипептидная цепь синтезируется на большой субъединице.

Инициаторным кодоном, с которого начинается синтез полипептидной цепи на рибосомах, является AUG. В малую субъединицу, на поверхности которой располагается первый кодон молекулы мРНК (AUG), входит конец молекулы аминоацил-тРНК с антикодоном UAC. Аминокислота метионин (или формилметионин у бактерий), локализованная на противоположном конце этой тРНК, присоединяется к большой субъединице (происходит воссоединение большой и малой субъединиц рибосом). Первая аминоацил-тРНК занимает Р-участок. Следующая аминоацил-тРНК подходит к свободному А-участку рибосомы. Если ее антикодон является комплементарным кодону мРНК, то происходит временное присоединение тРНК с аминокислотой (второй по счету) к кодону мРНК. Процесс элонгации начинается с образования пептидной (ковалентной) связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Это происходит за счет перенесения первой аминокислоты на аминокислотный остаток поступившей аминоацил-тРНК, в результате чего тРНК в Pучастве окажется свободной. Затем происходит перемещение рибосомы на один кодон мРНК влево (в направлении 53), что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК) и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК (с двумя аминокислотами) передвигается из А-участка в Р-участок, а освободившийся Аучасток занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы “триплетными шагами” по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступивших в Р-участок и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида (рисунок 14).

P – пептидильный участок, А – аминоацильный участок Рисунок 14. Схема функционирующей рибосомы (Ченцов, 2004).

Процесс продолжается до тех пор, пока весь код гена не будет считан и к большой субъединице не присоединится линейная последовательность аминокислот, свойственных данномуДНК-детерминированномуполипептиду. Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стопкодонов. Рассмотренный цикл синтеза полипептида последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.

В клетках эукариот процессы транскрипции и трансляции отделены друг от друга в пространстве и во времени, поскольку первый происходит в ядре, откуда синтезированная мРНК поступает в цитоплазму, а затем начинает транслироваться на рибосомах. У прокариот, содержащих нуклеоид, не отделенный от цитоплазмы ядерной оболочкой, эти два процесса не разобщены, и трансляция мРНК начинается до полного завершения их синтеза одновременно на многих рибосомах. Прокариотическая мРНК полицистронна (полигенна), т.е. содержит последовательности, определяющие синтез нескольких полипептидных цепей. У эукариот же мРНК моноцистронна и всегда списывается с одного, а не сразу с нескольких генов, организованных у прокариот в опероны.

Крик подчеркивал колинеарность структуры гена и кодируемого им полипептида, т.е. соответствие последовательности аминокислот в молекуле белка последовательности нуклеотидов гена. Аминокислотная последовательность белковой молекулы задает ее структуру и функцию. Когда сборка белковой молекулы заканчивается, полипептидная цепь удаляется от полисомы и сворачивается, приобретая вторичную, третичную или четвертичную пространственную структуру (данный процесс обозначается как фолдинг), принимая окончательную биологически активную конфигурацию.

Белки – это биологические молекулы, участвующие практически во всех процессах жизнедеятельности клеток. Именно белки определяют, в конечном счете, фенотип любого организма. Белки-ферменты катализируют все биохимические процессы в клетке. Разнообразные регуляторные белки контролируют своевременность и точность основных молекулярногенетических процессов (репликации, транскрипции, трансляции, репарации). Они осуществляют транспорт веществ в клетки и между клетками (транспортные белки), осуществляют восприятие, трансформацию и передачу разнообразных внешних сигналов (белки-рецепторы). Белки являются непременным компонентом всех биологических мембран, составляют основу цитоскелета, входят в состав соединительных тканей, т.е. обеспечивают “строительную” функцию (структурные белки). Они участвуют в осуществлении двигательных функций (сократительные белки ), обеспечивают защитуот инфекций и токсинов (защитные белки-иммуноглобулины).

Таков далеко не полный перечень функций белков.

Тема 2. РЕГУЛЯЦИЯ ДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ 2.1. Оперонная система регуляции действия генов у прокариот Экспрессия генов – весь процесс передачи генетической информации от ДНК с помощью различных типов РНК к полипептидам; это проявление данного гена в организме в форме какого-либо специфического для него признака.

Организация генов у про- и эукариот различна. Во-первых, гены прокариот непрерывны, а эукариот имеют мозаичную (экзон-интронную) структуру. Во-вторых, для прокариот характерен оперонный принцип организации генов.

Бактериям необходимо быстро отвечать на изменения окружающей среды. Их выживаемость зависит от способности переключать метаболизм с одного субстрата на другой при изменениях в среде питательных веществ. Для такого реагирования на изменение условий среды гены бактерий объединены в кластеры таким образом, что ферменты, необходимые для определения пути биосинтеза, кодируются генами, находящимися под общим контролем.

Вся система, включающая структурные гены и элементы, контролирующие их экспрессию, формируют общую единицу регуляции, называемую опероном. Оперон – единица транскрипции и регуляции у бактерий.

Первоначально предполагали, что оперон – это универсальная еди ница регуляции действия генов для про- и эукариот.

Так, в 1961 г. два французских генетика Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали схемурегуляции действия генов на уровне транскрипции на примере lac-оперона у бактерий E. coli. Оперон, согласно их представлениям, – это группа функционально родственных совместно транскрибируемых генов, контролирующих определенный вид метаболической активности, т.е.

это единица генетического материала, регулируемая на уровне транскрипции. Результатом активности оперона является синтез, как правило, родственных по биохимическим функциям адаптивных ферментов. Все ферменты клетки условно делят на конститутивные – постоянно присутствующие в клетке, и адаптивные – появляющиеся в результате изменений условий среды. Конститутивные ферменты у E. coli принимают участие в утилизации универсального для нее источника углерода – глюкозы. Глюкоза – самый доступный и выгодный для E. coli источник углерода и энергии. Пока глюкоза имеется в достаточном количестве, клетка не нуждается в получении и переработке никаких других сахаров. При замене глюкозы на лактозу для утилизации лактозы E. coli необходим синтез адаптивных ферментов: -галактозидазы, которая расщепляет лактозу на галактозу и глюкозу, а также галактозидпермеазу (транспортного белка, необходимого для проникновения -галактозидов, в частности лактозы, через клеточную мембрану) и трансацетилазу Эти ферменты кодируются тремя структур.

ными генами: Z, Y и A соответственно, которые в комплексе с геном – оператором, а также общими для структурных генов промотором (участком ДНК, расположенным перед оператором) и терминатором транскрипции образуют оперон (рисунок 15).

В схему оперонной регуляции входит также ген-регулятор, кодирующий белок-репрессор. Но ген-регулятор не входит в состав оперона и может находиться на расстоянии от него. Синтезируемый им репрессор со- единяется с оператором, "запрещая“ (блокируя) транскрипцию оперона в присутствии глюкозы как источника питания. Хотя РНК-полимераза может связаться с промотором, она не перемещается дальше “выключенного” оператора. Т.е. репрессированный оператор выполняет роль своеобразного шлагбаума, препятствующего продвижение РНК-полимеразы от промотора к структурным генам. Гены Z, Y и A “не работают”.

Оперон а Промотор Структурные гены Терминатор Генрегулятор 1 2 Z Y A ДНК 3 Сайт Cap Направление транскрипции б Лактозы нет Оперон “не работает” Генрегулятор 1 2 Z Y A ДНК Репрессор Транскрипции нет в Cap-cAMP РНК-полимераза Оперон “работает” Генрегулятор Z Y A ДНК мРНК Репрессор 5 Белки Субстрат- лактоза ферменты Рисунок 15. Схема регуляции лактозного оперона E. coli а- структура лактозного оперона: промотор содержит два района: 1 – участок связывания с комплексом Cap-cAMP (сайт Cap) и 2- участок связывания с РНК-полимеразой; б- негативная, в – позитивная регуляция lac-оперона.

В отсутствие лактозы репрессор (продукт гена-регулятора) связывается с оператором, запрещая транскрипцию. Хотя РНК-полимераза может связаться с промотором, она не перемещается далее “выключенного” оператора; гены не работают. В присутствии лактозы репрессор инактивируется и отсоединяется от оператора. Молекула РНК-полимеразы перемещается, и начинается транскрипция.

о о пе ра т р о о пе ра т р о о пе р а т р При замене глюкозы на лактозу белок-репрессор временно инактивируется под действием субстрата - лактозы. Белок-репрессор отсоединяется от оператора, что открывает путь молекулам РНК-полимеразы для перемещения и транскрипции трех генов в составе одной полицистронной молекулы мРНК. Т.е. структурные гены, освобожденные от контроля оператора, начинают экспрессироваться, продуцируя адаптивные ферменты, утилизирующие лактозу. Снижение концентрации субстрата - лактозы (после его расщепления адаптивными ферментами) вновь является сигналом к соединению белка-репрессора с оператором и прекращения транскрипции генов lac-оперона. Т.е. синтез трех ферментов происходит только в том случае, когда в этих ферментах возникает потребность.

Удаленность гена-регулятора от оперона свидетельствует о том, что репрессор – это растворимый в цитоплазме продукт, присутствующий в активной форме при наличии в среде глюкозы и инактивированный при замене глюкозы на лактозу.

Схема регуляции действия генов в системе lac-оперона у E. coli названа негативной, т.к. продукт гена-регулятора, связываясь с опероном, запрещает транскрипцию, т.е. действует негативно на экспрессию генов.

В короткое время эта модель Ф. Жакоба и Ж. Моно оказалась в центре внимания биологов всего мира, поскольку впервые позволила увидеть реальный механизм регуляции активности генов.

Позже было установлено, что наряду с негативной системой регуляции lac-оперон находится и под позитивным контролем. Еще в 40-х годах XX века было известно, что если клетки E. coli выращивать на среде с глюкозой и лактозой, то утилизация лактозы начнется лишь после того, как будет использована вся имеющаяся в среде глюкоза. Расшифровать механизм глюкозного эффекта сумели Р. Перлман и А. Пастан, обнаружившие, что транскрипция lac-оперона контролируется молекулой эффектором - циклическим аденозинмонофосфатом (cAMP) и белкомактиватором - Cap-белком (от англ. catabolite gene activation protein- белок, активирующий катаболические гены ). Их присутствие вызывает не репрессию, а напротив, активирование транскрипции. Без Cap-белка РНКполимераза не может связаться с опероном и начать транскрипцию. Вступив в комплекс с cAMP, Сap-белок активизируется и только после этого присоединяется к своемусайту (Cap-участку) на промоторе, многократно (почти в 50 раз) усиливая транскрипцию генов lac-оперона. Причем, транскрипция lac-генов возможна только при недостатке или отсутствии глюкозы. В этом случае повышается концентрация cAMP, который формирует комплекс Cap-cAMP, соединяющийся с промотором и дающий возможность РНК-полимеразе попасть в участок первоначального связывания. При избыточном количестве глюкозы концентрация cAMP сильно снижается и комплекс Cap-cAMP образоваться не может, в результате чего РНК-полимераза не может связаться с промотором и lac-гены не транскрибируются. cAMP в бактериях получил название “сигнал голода”.

Cистема позитивного контроля характерна и для триптофанового оперона.

Основным преимуществом оперонной организации генов у прокариот является координация регуляции активности: все гены, входящие в оперон, одновременно экспрессируются или не экспрессируются в унисон. К наиболее хорошо изученным оперонам бактерий относятся лактозный (lac)-оперон, галактозный (gal)-оперон и триптофановый (trp) – оперон E.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.