Схема транскрипции и процессинга мРНК в эукариотических клетках

ДНК

5 3

Промотор Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3 Стоп- сигнал , терминатор

3 5

Старт Кодирующая цепь

РНК-полимераза

Инициация Транскрипция

Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3

Предшественник мРНК – пре-мРНК

Процессинг

Интрон Интрон

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3

Сплайсинг

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3

Функционально активная , зрелая мРНК транспорт в цитоплазму

Трансляция

Трансляция ( от лат. translatio – передавать , передача ) – ферментативный матричный синтез полипептидных цепей – белков, осуществляемый в рибосомах из свободных аминокислот , с использованием мРНК в качестве информационной матрицы

Трансляция – процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в полипептиде , осуществляемый в рибосомах

· Осуществляется на рибосомах

· Многостадийный процесс , требующий больших затрат энергии АТФ и участия большого числа ( до 300 ) вспомогательных молекул

v В трансляции участвуют все три основных типа РНК : м- , р- , и тРНК :

q мРНК является информационной матрицей

q тРНК доставляют к месту синтеза аминокислоты (сырьё ) и считывают кодоны мРНК

q рРНК вместе с белками образуют рибосомы и осуществляют синтез полипептидной цепи ( белка )

· Генетический код расшифровывают ( реализуют ) тРНК

Механизм трансляции

· Транскрипция состоит из подготовительного и трёх основных этапов

Подготовительный этап

q На этом этапе происходит присоединение аминокислот к соответствующим тРНК ( осуществляется в цитоплазме )

q тРНК имеет структуру , состоящую из четырёх петель : антикодоновой , акцепторной и двух боковых

q К акцепторной петле соответствующих тРНК с помощью ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяются аминокислоты , которые транспортируются к рибосомам ( соответствие аминокислот тРНК определяется триплетом нуклеотидов - антикодоном , расположенным на антикодоновой петле тРНК )

q Триплеты нуклеотидов антикодона тРНК комплементарны триплетам кодонов мРНК

1. Инициация

q Осуществляется в рибосомах

v Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой ; в нерабочем состоянии они обычно не связаны друг сдругом ( диссоциированы ) ; в процессе трансляции субъединицы объединяются , образуя функциональный центр рибосомы – ФРЦ , состоящий из мРНК и двух субъединиц ( в ФЦР всегда находятся два триплета мРНК )

v В цельной рибосоме выделяют два активных центра ( сайта )

1.А - сайт ( аминокислотный или акцепторный ) – центр присоединения тРНК с аминокислотой и её декодирования

2.Р - сайт ( пептидальный ) – центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке и удержания тРНК с растущей полипептидной цепью

v Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет – она осуществляется через тРНК в Р-сайте

q Инициация начинается с того , что малая субъединица рибосомы перекрывает два кодона мРНК ( в том числе первый из них - кодон инициации АУГ , с которого начинаются все мРНК эукариот )

q К кодону инициации , который локализуется в Р-сайте , присоединяется ( связывается ) комплементарный ему антикодон тРНК с первой аминокислотой метионином ( с метионина начинается синтез любой молекулы белка эукариот ; она является неспецифической и после окончания синтеза удаляется )

q После образования комплекса между кодоном и антикодоном присоединяется большая субъединица рибосомы

q Ко второму триплету мРНК ( в А-сайте ) присоединяется другая тРНК со второй аминокислотой ( начиная со второй все аминокислоты специфичны для каждого белка ) , антикодон которой комплементарен кодону мРНК

q Между обеими аминокислотами на Р- и А-сайтах образуется первая пептидная связь ( образуется дипептид )

2. Элонгация( продолжение синтеза )

q После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и « повисает » на соединённой с ней аминокислоте второй тРНК ( свободная первая тРНК освобождается из комплекса с рибосомой и уходит в цитоплазму а Р-сайт становится незанятым )

q Рибосома « делает шаг » , продвигается вдоль мРНК на следующий триплет ( кодон ) ; при этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт ( движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией )

q Цикл элонгации повторяется многократно , что сопровождается удлинением полипептида

3. Терминация( окончание синтеза )

q Синтез полипептидной цепи идёт до тех пор , пока один из трёх стоп-кодонов мРНК ( это кодоны УАА , УГА и УАГ ) не достигнут А-сайта рибосомы ; в этот момент готовая белковая цепь отделяется , а рибосома диссоциирует на субъединицы

q Таким образом , последовательность нуклеотидов в мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде

· Вновь синтезированные полипептидные молекулы ( белки ) подвергается различным посттрансляционным модификациям – созреванию или процессингу : приобретают вторичную , третичную или четвертичную структуру , претерпевают фосфорилирование и т. д. ( после этого белковые молекулы поступают в каналы эндоплазматической сети и транспортируются по ней к месту назначения )

v Скорость сборки одной молекулы белка состоящей из 300 аминокислот , составляет 1 – 2 мин.

· Синтез белка могут вести одновременно несколько рибосом ( до 80 ) ; такие группы рибосом , осуществляющие синтез белка на одной молекуле мРНК называются полисомами ( полирибосомами )

· Таким образом , реализация генетической информации ( экспрессия генов ) происходит по следующей схеме : транскрипция трансляция

ген ДНК мРНК полипептид ( белок-фермент ) ------ реакция метаболизма ( обмена веществ ) ------признак организма -------свойство организма

q Передача генетической информации у организмов с клеточной формой жизни имеет одностороннюю направленность

Энергетика биосинтеза

v На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь затрачивается энергия , соответствующая расщеплению 4 молекул АТФ до АДФ , однако непосредствено используется лишь около 10 % выделяющейся энергии , остальная же её часть (90 % ) рассеивается в виде тепла

Регуляция генной активности

· Все клетки любого организма имеют полный набор генов , свойственных данному организму

· Клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков ; даже в одной клетке на разных этапах онтогенеза синтезируются и функционируют разные белки

· Разные типы клеток кроме белков , необходимых любой клетке организма , синтезируют свой набор специализированных белков , что приводит к появлению клеток со специфическими структурами и особыми функциями , т. е. к дифференцировке ( дифференцировка связана с производством большого количества белков одного или всего нескольких типов и почти всегда необратима )

· Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов

· Располагая полной генетической информацией , каждая клетка на определённом этапе развития использует лишь ту её часть , которая необходима в данный момент для отправления её функций

· Каждая клетка располагает генетическими механизмами , определяющими , какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться , т. е. способна регулировать активность ( экспрессию ) генов

Регуляция действия генов ( генетический контроль экспрессии генов ) – способность клетки избирательно увеличивать или уменьшать ( индуцировать или репрессировать ) экспрессию генов ( синтез определённых белков )

· Регуляция экспрессии генов возможна на уровне её этапов : транскрипции и трансляции

Регуляция на уровне транскрипции ( регуляция синтеза молекул мРНК )

· Среднее время жизни молекул мРНК ограничено , затем они расщепляются до нуклеотидов ; разрушая старые мРНК и образуя новые , клетки могут строго регулировать как тип продуцируемых белков , так и их количество

· Регуляция синтеза белка на уровне транскрипции у бактерий ( прокариот ) может осуществлятся согласно концепции оперона ( предложена французскими микробиологами Ф. Жакоб и Ж. Моно , 1961 г. , Нобелевская приемия 1985 г. )

Концепция оперона

Оперон – участок ДНК , транскрипция которого осуществляется на одну молекулу мРНК под контролем одного специального белка-регулятора

· В состав оперона входят структурные гены и регуляторные элементы ( не путать с геном-регулятором )

Структурные гены – гены , кодирующие белки – ферменты , осуществляющие биосинтез какого-либо вещества

q Этих генов может быть один или несколько

q Они тесно сцеплены друг с другом и в ходе транскрипции работают как один единый ген : на них синтезируется одна общая молекула мРНК , которая лишь потом расщепляется на несколько мРНК , соответствующих отдельным генам

Регуляторные элементы( промотор , оператор , терминатор )

1. Промотор – начальный участок оперона для связывания фермента , осуществляющего транскрипцию ДНК – РНК-полимеразы

q Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК , с которой связывается РНК-полимераза

q Определяет , какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК

q Является местом начала транскрипции

2. Оператор – участок связывания регуляторного белка

q Отрезок ДНК в 20 нуклеотидов , следующий за промотором и регулирующий синтез мРНК

3. Терминатор – участок в конце оперона , содержащий стоп-кодон и сигнализирующий о прекращении транскрипции

q Прекращает продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона

· На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген-регулятор , синтезирующий соответствующий регуляторный белок

Ген-регулятор – ген , синтезирующий белки-регуляторы , обуславливающие активность оператора ( его включение в процесс транскрипции )

q Ген-регулятор может располагаться далеко от оперона или рядом на одной молекуле ДНК

q Может регулировать транскрипцию нескольких оперонов

q Ген-регулятор имеет собственный промотор и терминатор

q Регуляторные белки бывают двух типов : белок-активатор или белок-репрессор ; они присоединяются к определённым нуклеотидным последовательностям ДНК оператора , что либо препятствует транскрипции генов ( негативная регуляция ) , либо способствует ей ( позитивная регуляция )

Белок-репрессор – препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору ДНК и блокирует транскрипцию

Белок-активатор – облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором , что обеспечивает транскрипцию гена

q На работу регуляторных белков могут влиять вещества из окружающей среды , проникающие в клетку – эффекторы : связываясь с регуляторными белками они меняют их пространственную структуру , что либо повышает , либо снижает их сродство к ДНК и таким путём либо включает , либо выключает транскрипцию генов