Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

других бактерий. Процесс транскрипции и его ферментативного обеспечения более подробно изучены у прокариот, РНК-полимеразы которых представляют собой сложные белки, состоящие из нескольких субъединиц. Хорошо изучен полный фермент РНК-полимеразы E.coli. Его структуры составляют пять полипептидных субъединиц: две альфацепи, одну бета- и одну бета-штрих-цепи, а также сигма-цепи. Холофермент РНК-полимераза способна узнавать промоторную область в оперонах бактерий и инициировать процесс транскрипции. Главными составляющими элементами процесса транскрипции являются: РНК-полимераза + НТФ + ДНК-матрица=РНК+ ДНКматрица + ФФн (рисунок 3).

ÏолесÃÓРисунок 2 – Этапы транскрипции

Рисунок – 3 Элементы транскрипции

Генетика с основами биометрии

3. Организация промоторных и терминаторных участков у про- и эукариот

У прокариотических организмов процессы транскрипции и трансляции сопряжены, синтез всех типов РНК осуществляет фермент – РНК-полимераза.

У эукариотов процесс транскрипции и трансляции разобщены – синтез РНК происходит в ядре, а белка – в цитоплазме.

Синтез РНК осуществляют три типа ядерных РНК-полимераз: РНК-полимераза I – Ррнк (28S,18S,5,8S);

РНК-полимераза II – мРНК;

Скорость транскрипции у эукариот 20 нуклеотидов в секунду, а у прокариот 42–50 нуклеотидов в секунду.

Размеры синтезированной РНК у прокариот от 1000–1500 (отдельные гены) до 10–15 тыс. нуклеотидов, у эукариот отдельные гены от 1000 до 2,4

млн. нуклеотидов.

РНК-полимераза III – Трнк и 5S РНК. ТакжеÏолесÃÓимеются митохондриальные и хлоропластные РНК-полимеразы.

РНК-полимераза прокариот

РНК-полимераза E.coli – белок, имеющий четвертичную структуру.

Одновременно в клетке присутствует около 7000 молекул РНК-полимеразы.

Субъединичный состав РНК-полим разы E.coli:2αββδώ –holo- ферм нт (полный ф рм нт)

2αββώ –cope-ферм нт (150*115*110А)

Без δ-фактора это cope-ф рм нт, δ- факторсменный фактор специфичности

(δ70, δ28, δ54 и др.).

Две α-субъединицы – каркас РНК-полимеразы. К ним крепятся остальные субъединицы.

β′-субъединица твечает за прочное связывание ДНК за счет кластера положительно заряженных аминокислот.

β-субъединице находятся два каталитических центра. Один отвечает за инициацию, а другой за элонгацию РНК-цепи. Один центр работает в holo-, а другой в cope-ферменте.

Σ-субъединица играет главную роль в инициации транскрипции, будучи прямо вовлеченной в узнавание промотора и плавление ДНК.

В клетках E.coli имеется семь различных σ-факторов. Каждый из них обеспечивает узнавание промоторов с определенными последовательностями. В экспоненциальной фазе роста более 90% молекул холофермента в клетке содержит субъединицу σ70 (рисунок 4).

Генетика с основами биометрии

Рисунок 4 − Схема ДНК

чтобы напр тив них встали к мплементарные нуклеотиды РНК (рисунок 6).

Рисунок 6 − Строение РНК-полимеразы прокариот

Генетика с основами биометрии

Существует 4 типа РНК-полимераз у эукариот (из них 3 – ядерные, 1 – митохондриальная).

РНК pol I – синтезирует три типа рРНК (28S, 18S, 5, 8S); PHK Pol II – синтезирует мРНК и малые ядерные РНК; РНК Pol III – синтезирует тРНК и 5S-РНК.

РНК-полимеразы эукариот имеют большую молекулярную массу и представляют собой комплекс мультимерных белков (500–700 Кд). От 14 до

[Mn2+]/[Mg2+]=2. Для РНК-полимеразы II – [Mn2+] / [Mg2+] = 5.

аминокислотным составом, а также зависимостью от катионов магния и марганцаÏолесÃÓ. Для РНК-полимераз I и III необходимое соотношение

Наиболее заметное различиечувствительность к α-аманитину (токсин бледной поганки). Он полностью подавляет работу РНК-полимеразы II в концентрации 10-8 М и РНК-полимеразы III. РНК-полимераза I почти не

чувствительна к этому токсину.

Кроме ядерных РНК-полимераз у эукариот ть еще РНК-полимеразы

хлоропластов и митохондрий. Они кодируют я в ядре, а не в соответствующих органеллах.

4. Процессинг первичных тран криптов у эукариот

Процессинг РНК – совокупность проц ссов в клетках эукариот, которые

приводят к превращению п рвичного транскрипта в зрелую РНК.

В зависимости от типа РНК (матричные, рибосомные, транспортные,

малые, ядерные) их предшественники подвергаются разным последовательным м дификациям.

Кэпир вание представляет собой присоединение к 5′ концу

транскрипта 7- метилгуан зина через необычный для РНК 5′, 5′ − трифосфатный м стик, а также метилирование остатков рибозы двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования происходит во время синтеза молекулы мРНК.

Полиаденилирование представляет фермент полимераза, который

присоединяет 3′ концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты.

Сплайсинг – вырезание протяженных внутренних участков мРНК и

ковалентное воссоединение оставшихся фрагментов через обычную фосфодиэфирную связь.

Редактирование РНК – процесс, в котором информация, содержащаяся в молекуле РНК, изменяется путем химической модификации оснований.

Генетика с основами биометрии

5. Обратная транскрипция

Обратная транскрипция – это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией так как передача генетической информации происходит в обратном направлении.

Обратная транскриптаза – фермент, который катализирует синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией. Обратная транскрипция необходима для осуществления жизненного цикла ретровирусов, например, вирусов иммунодефицита человека и T-клеточной лимфомы человека типов 1 и 2. После попадания вирусной РНК в клетку обратнаяÏолесÃÓтранскриптаза, содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь (рисунок 7).

Рисунок 7 − Обратная транскрипция

Ретровирусы − это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.

Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК. Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится

Генетика с основами биометрии

комплементарная. Образованная молекула ДНК длиннее РНК Некоторые вирусы (такие как ВИЧ, вызывающий СПИД), имеют

возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединено с геномом клетки-хозяина.

Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированный фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. РезультатомÏолесÃÓявляется синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы при митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам.

Генетика с основами биометрии

4.6 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ТРАНСЛЯЦИЯ

ПЛАН

1.Генетический код.

2.Составляющие элементы и стадии трансляции.

1. Генетический код

Гетеросинтетическая функция гена – передача генетической информации от ДНК к иРНК и далее к белку. Этот процесс протекает при биосинтезе белка во всех клетках.

Генетический код – это систематизированная запись генетической информации в виде определенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК или иРНК (таблица 1).

Таблица 1 – Соответствие кодонов иРНК аминокислотам (генетический код)

мПримечание: * – кодоны-терминаторы

Свойства генетического кода:

триплетность – одна аминокислота кодируется тремя рядом

расположенными нуклеотидами – триплетом (кодоном). Первое

Генетика с основами биометрии

предположение о строении генетического кода пренадлежит Георгию Гамову. В 1954 г. он предположил, что информацию в молекулах ДНК кодируют сочетания нескольких нуклеотидов. Очевидно, что однозначного соответствия «1 нуклеотид – 1 аминокислота» в коде быть не может, так как в этом случае было бы лишь 4 аминокислоты. Количеству известных аминокислот не соответствует и дуплетный код «2 нуклеотида – одна аминокислота» – было бы 16 аминокислот. Лишь триплетный код может шифровать 20 различных аминокислот. Четыре нуклеотида в случае триплетного кода дают 64 варианта триплетов. Экспериментально это свойство генетического кода было доказано Ф. Криком и С. Бреннером в 1957 г. на примере бактериофага Т4 и бактерий E.coli. ÏолесÃÓуниверсальность – независимо от вида одна и таже аминокислота кодируется одинаковым триплетом. Это свойство подтверждает единство происхождения всего многообразия живых форм на Земле. Отличия генетического кода обнаружены у митохондрий и пластид, что указывает на дивергентность эволюции кода на ранних этапах существования жизни. Для ДНК митохондрий каждого вида характерны некоторые отклонения от генетического кода.

неперекрываемость и от ут твие разделительных знаков внутри гена при наличии их между г нами. Важн йшие характеристики генетического кода – непрерывность и н п р крыва мо ть кодонов при считывании. Это означает, что трип еты считываются б з пропусков и без перекритий между соседними триплетами. То сть каждый отд льный нуклеотид принадлежит лишь одному трип ету при заданной рамке считывания. В качестве доказательства неперекрываемости генетического кода можно рассматривать замену только дн й амин кис оты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. При включении нукле тида в несколько перекрывающихся триплетов его замена пр в ждалась бы заменой нескольких соседних аминокислот в пептидной цепи.

вырожденность (избыточность) – одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами. Важность этого свойства заключается в том, что при мутационных изменениях молекулы ДНК типа замены одного нуклеотида на другой часто изменяется смысл триплета. При этом новый триплет часто кодирует ту же самую аминокислоту, а это повышает запас прочности генетического кода в случае возникновения генных мутаций.

однонаправленность – информация с кодирующей цепочки ДНК считывается только по направлению от 3'-конца к 5'-концу.

В конце всех генов имеются специальные триплеты, называемые стоп-

кодонами:

 в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ;  в РНК: УАА, УАГ, УГА.

Генетика с основами биометрии

В обоих случаях стоп-кодоны сигнализируют о прекращении считывания информации на рибосоме.

2. Составляющие элементы и стадии трансляции

Трансляция – перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Это второй этап белкового синтеза, на котором отдельные аминокислотные остатки поликонденсируются по направлению от аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу.

факторами инициации, элонгации, терминации – специфическими внерибосомными белками, обеспечивающими тран ляцию;

Молекула тРНК имеет вторичную структуру и напоминает листок клевера. Такая к нфигурация яв яется следствием установления водородных связей между нек т рыми к мплементарными нуклеотидами. Размер тРНК примерно 80 нукле тид в (рисунок 1).

На к нцах м лекулы расположены два активных центра. Первый активный центр – триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном. Он соответствует определенной аминокислоте. Второй активный центр (акцепторный стебель) – противоположный антикодону участок, которому прикрепляется аминокислота. На 5'-конце этого центра молекулы тРНК всегда находится гуанин (Г), а на 3'-конце – триплет ЦЦА.

Процесс узнавания тРНК своей аминокислоты называется рекогницией. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии ферментов аминоацил-тРНК-синтетазы и АТФ. В результате активируются аминокислоты и образуется комлекс, включающий аминокислоты и тРНК – аминоацил-тРНК. В данном комплексе энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотой достаточно для образования в дальнейшем пептидной связи.

Генетика с основами биометрии

Акцепторный

участок

ÏолесÃÓнекоторые тРНК могут спариваться более чем одним кодоном. Рибососма − немембранный органоид живой клетки, служащий для

3′- сн вание к д на мРНК имеет нестрогое спаривание с 5′-

основанием антик д на тРНК: например, У (мРНК) может взаимодействовать с А и Г (тРНК);

биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией.

Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму и состоят из большой и малой субъединиц (рисунок 2).

Каждая субъединица построена из рибосомной РНК и белков. Рибосомы и их субъединицы обычно классифицируют не по массам, а в соответствии с коэффициентами седиментации. Коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а ее