Тема: Реализация наследственной информации. Регуляция активности генов и синтеза белка
| Реализация наследственной информации осуществляется через синтез белка | Наследственная информация записана на ДНК в виде генов. Гены кодируют информацию о белках. Все другие признаки организма реализуются через белки, посредством выполнения ими своих функций. Для развития простых признаков требуется работа одного гена и синтез одного белка, для сложных – нескольких или многих. |
| Генетический код | Информация об аминокислотной последовательности (первичной структуре) белка закодирована на гене в виде последовательности триплетов нуклеотидов. Основные свойства кода: триплетность, вырожденность, специфичность и универсальность. |
| Синтез белка у прокариот | Первый этап синтеза белка – транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Выбор кодирующей цепи ДНК, стартовой точки и направления синтеза определяется особым участком перед геном – промотором. С матрицы ДНК информация переписывается на м-РНК сразу с нескольких функционально связанных генов. Окончание считывания определяется терминатором. Второй этап – трансляция начинается одновременно с транскрипцией. Синтезированные полипептиды приобретают вторичную и последующие структуры, а при необходимости – модифицируются (третий этап - созревание белка) |
| Особенности синтеза белка у эукариот | Синтез белка осуществляется в четыре этапа. Транскрипция осуществляется с каждого гена отдельно. Синтезируемая РНК (пре-м-РНК или гетероядерная-РНК) подвергается преобразованию – процессингу, от которого зависит первичная структура белка и количество синтезируемых молекул. Подавляющаяся часть гя-РНК метаболизируется и не участвует в синтезе белка |
| Транскрипция | В отличие от прокариот, ген эукариот содержит кодирующие и некодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны и интроны. Количество интронов, разделяющих экзоны, может достигать нескольких десятков, а их длина значительно превышает длины экзонов. Пре-м-РНК переписывает всю информацию с гена. |
| Посттранскрипция | Созревание пре-м-РНК включает в себя вырезание интронов, сшивание (сплайсинг) экзонов и модификацию концов зрелой м-РНК. Прямой сплайсинг соединение всех экзонов в порядке их расположения на гене. Альтернативный сплайсинг – изменяется порядок расположения и количество сшиваемых экзонов. Альтернативный сплайсинг позволяет создавать до ста различных модификаций м-РНК и, соответственно, белка с одного гена. Процессами посттранскрипции определяется длительность жизни РНК, ее доставка в цитоплазму к месту синтеза полипептада и созможность синтеза белка. |
| Трансляция | Синтез полипептида в рибосоме. Начинается со стартового кодона, протекает в три этапа – инициация, элонгация и терминация. Заканчивается стоп-кодоном (терминирующий, нонсенс-кодон). Одновременно с молекулы М-РНК может синтезироваться несколько полипептидов несколькими рибосомами. |
| Посттрансляция | Созревание белка осуществляется за счет приобретения им вторичной – четвертичной структур и модификации белковой молекулы. Полипептид может разрезаться на части, к нему могут присоединяться другие молекулы. Формируются протеиновые структуры, способные к выполнению разнообразных функций. |
| Регуляция активности генов у прокариот. | В 1965 году Жакоб и Моно были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие механизма регуляции синтеза белка в лактозном опероне. Единица регуляции – оперон содержит ген регулятор, промотор, оператор, функционально связанные структурные гены и терминатор. Основные факторы регуляции – репрессор, блокирующий считывание информации при присоединении к оператору, и индуктор – освобождающий оператор и делающий гены доступными для РНК-полимеразы. В нормальных условиях у прокариот активна большая часть генов – более 90%. |
| Особенности регуляции активности генов у эукариот | У эукариот нет оперонов – каждый ген регулируется самостоятельно. Отсутствуют операторы – точкой приложения репрессоров и индукторов является промотор. Значительную роль в регуляции играют белки хромосом, определяющие конденсацию и спирализацию хроматина, делающие гены доступными или заблокированными для транскрипционной машины. Активно работающих генов клетке эукариот – 10-20%. |
| Регуляторные гены эукариот | Регуляторные и сенсорные гены, энхансеры, сайленсеры и другие нуклеотидные последовательности, участвующие в регуляции активности генов, составляют значительную часть геномаэукариот. Они отвечают за синтез белков-регуляторов, восприятие регуляторных сигналов доступность гена для транскрипционных факторов, влияют на активность РНК-полимеразы. Результатом регуляции является репрессия или экспрессия генов. Регуляция экспрессии позволяет изменять активность транскрипции с сотни раз. Возможна регуляция за счет химической модификации (фосфорилирования) ДНК. В сложную последовательность событий регуляции одного структурного гена могут быть включены многие гены–регуляторы. |
| Регуляция на уровне посттранскрипции | Важнейший этап регуляции синтеза белка у эукариот. Определяет возможность участия м-РНК в синтезе белка, длительность и интенсивность процессов трансляции. Альтернативный сплайсинг влияет на окончательную структуру белка. |
| Малые РНК | Особый класс регуляторных РНК размером от нескольких десятков до сотен нуклеотидов. si-РНК размером 20-30 нуклеотидов способны связываться с определенными участками ДНК, специфически регулируя работу генов (явление РНК-интерференции). Участвуют в распознавании и блокировании вирусных нуклеиновых кислот. Спариваясь с гетероядерной РНК, определяют ее дальнейшую судьбу. |
| Регуляция синтеза белка у эукариот | Осуществляется на всех этапах – от транскрипции до посттрансляции. Определяется возможность синтеза белка, скорость синтеза, количество и окончательная структура молекул, их функциональная активность и длительность жизни. |
ЛЕКЦИЯ № 4