Файл: Геном совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для выполнения всех функций организма..docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 19
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Экзон – интронная организация генома эукариот
Геном – совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для выполнения всех функций организма. Большинство геномов всех клеточных форм жизни, в том числе и геном человека, построены из ДНК.
Существует и другое определение термина «геном», в котором под геномом понимают совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида. У человека (Homo sapiens) наследственный материал соматической клетки представлен 23 парами хромосом (22 пары аутосом и пара половых хромосом), находящихся в ядре. Кроме того клетка обладает множеством копий митохондриальной ДНК.
Ген – информационная структура, состоящая из ДНК, реже РНК, и определяющая синтез молекул РНК одного из типов: иРНК или рРНК, посредством которого определяется метаболизм, приводящий в конечном итоге к развитию признака.
Эукариотические гены имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) чередуются с некодирующими (интронами), рис. 1.
Рис. 1. Экзон – интронная организация генаЭкзон (от англ. ex(pressi)on - выражение, выразительность) - участок гена, несущий информацию о первичной структуре белка. В гене экзоны разделены некодирующими участками - интронами.
Интрон (от лат. inter - между) - участок гена, не несущий информацию о первичной структуре белка и расположенный между кодирующими участками - экзонами.
Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина - от нескольких пар оснований до нескольких тысяч.
Поток информации в клетке
Клетка – структурная и функциональная единица живого. Ее жизнедеятельность обеспечивается благодаря взаимосвязанности и упорядоченности во времени и пространстве трех метаболических процессов - потоков информации, энергии и вещества.
Рассмотрим особенности потока информации в эукариотической клетке.
В потоке информации участвуют:
Ø Ядро (ДНК хромосомы)
Ø Макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (иРНК)
Ø Цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот).
На завершающем этапе информационного потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру и используются в качестве катализаторов или структурных белков.
Синтез белка отличается от других матричных биосинтезов тем, что между матрицей (мРНК) и продуктом - белком нет комплементарного соответствия. Поскольку матрица построена из 4 нуклеотидов, а продукт - полипептидная цепь из 20 аминокислот, то существует определенный закон шифрования аминокислот в нуклеотидной последовательности матрицы, т.е. генетический код.
Генетический код- это способ записи информации об аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК. Свойства генетического (биологического) кода представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Свойства генетического кода
Таблица генетического кода имеет следующий вид, таблица 2.
Таблица 2
Таблица генетического кода*
*Примечание: Генетический код: словарь перевода с языка оснований на язык аминокислот. A — аденин, C — цитозин, G — гуанин, U — урацил (аналог тимина в РНК)
Информация, записанная в ДНК, считывается с неё путем синтеза рибонуклеиновых кислот (транскрипция) и, в конечном итоге, - синтеза белка (трансляция). Процесс реализации информации, закодированной в ДНК, получил название «механизм экспрессии генов».
Транскрипцией называется синтез РНК на ДНК - матрице. В результате образуются первичные траскрипты:
Ø мРНК,
Ø тРНК,
Ø рРНК.
Первичные транскрипты комплементарны матричной цепи ДНК, имеющей направление от 3'-, к 5'-концу. Субстратами и источниками энергии для синтеза РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты ( НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).
Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы. В ядре клеток эукариотов обнаружены три фермента:
Ø РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК;
Ø РНК-полимераза II, ответственная за синтез пре-мРНК;
Ø РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК.
РНК - полимеразы - большие, олигомерные ферменты, состоящие из нескольких субъединиц и имеющие несколько центров связывания регуляторных факторов.
В основе процесса транскрипции лежит принцип комплементарности оснований в полинуклеотидной цепи матричной ДНК и синтезируемой РНК, когда против А встает U, против G - С, а против Т - А.
Специфическая последовательность ДНК (сайт), в которой РНК-полимераза связывается с матрицей и начинает синтез РНК, называется промотором, а последовательность, на которой завершается синтез РНК, - сайтом терминации. Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон.У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит только один ген.
Существование на молекуле ДНК множества транскриптонов позволяет с разной активностью проводить индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов. В процессе транскрипции различают стадии:инициации,
элонгации,
терминации(рис. 2).
Рис. 2. Стадии транскрипции
(1,2 – инициация, 3 – элонгация, 4 - терминация)
Инициация (1, 2)
1. Стадия инициации в процессе транскрипции начанается с присоединения в области промотора белка «ТАТА-фактор» (своё название получил исходя из того, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора -ТАТА-).
ТАТА-фактор облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Связывание РНК-полимеразы с промотором увеличивает сродство фермента к факторам инициации, обеспечивающим раскручивание примерно одного витка двойной спирали ДНК.
2. Локальное расплетение двойной спирали ДНК в зоне включение РНК-полимеразы в промоторный участок.
Элонгация (3)
Элонгация связана с ростом нити пре-РНК. При этом факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают локальное расхождение нуклеотидных цепей.
Синтез молекулы РНК идет от 5 - к 3-концу на матричной цепи ДНК по принципу комплементарности и антипараллельности. По мере продвижения РНК-полимеразы по цепи ДНК в направлении от 3'- к 5'-концу впереди нее происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали.
Терминация (4)
Когда РНК-полимераза достигает сайта терминации, транскрипция прекращается. Факторы терминации облегчают отделение первичного транскрипта от матрицы.
Прежде чем выйти из ядра, каждый первичный транскрипт после ряда ковалентных модификаций превращается в «зрелую» молекулу РНК.
Модификации пре-мРНК начинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидов, происходит «кэпирование» 5'-конца.Остаток ГТФ присоединяется своим 5'-концом к 5'-концу фрагмента пре-мРНК с образованием 5'-, 5'-фосфодиэфирной связи. Последующее метилирование гуанина в составе ГТФ завершает образование «кэпа»:
По завершении транскрипции на 3'-конце первичного транскрипта мРНК специальным ферментом поли-А-полимеразой синтезируется поли-А - последовательность, которая состоит из 100-200 остатков адениловой кислоты. Наличие поли-А-последовательности на 3'-конце блегчает выход мРНК из ядра и замедляет ее гидролиз в цитоплазме.
Первичный транскрипт или пре-мРНК комплементарен гену, содержит как экзоны, так и интроны. В процессе образования молекул «зрелой» мРНК интроны вырезаются из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом - эту реакцию называют сплайсингом РНК,рис. 3.
Рис. 3. Сплайсинг пре-мРНК
Процесс вырезания интронов протекает при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), которые образуют комплексы - сплайсосомы. мяРНП состоят из малой ядерной РНК (мяРНК), связанной с белковым остовом, в который входит несколько протомеров. Отдельные мяРНП по принципу комплементарности узнают специфические последовательности интронов в первичном транскрипте, они катализируют реакцию расщепления 3', 5'-фосфодиэфирной связи на границе экзона с интроном и последующее соединение двух экзонов. После завершения сплайсинга «зрелая» мРНК становится примерно в четыре раза короче первичного транскрипта. Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму переносится уже «зрелая» мРНК(рис. 4).
Рис.4. Образование и выход из ядра зрелой мРНК
Трансляция
Трансляция – перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах мРНК, в определенную последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.
Основными компонентами трансляции являются:
Ø аминокислоты,
Ø тРНК,
Ø аминоацил-тРНК-синтетазы,
Ø мРНК, рибосомы,
Ø источники энергии,
Ø белки - факторы инициации, элонгации и терминации
Ø кофакторы.
Аминоацил-тРНК-синтетазы катализируют синтез аминоацил-тРНК - соединений, которые обеспечивают включение аминокислот в полипептидную цепь. Они обладают абсолютной специфичностью к аминокислоте и относительной к тРНК, так как в связи с вырожденностью кода разных типов тРНК больше, чем аминокислот.
Указанием на способность тРНК присоединять определенную аминокислоту служит индекс в верхнем правом углу: тРНК, связывающаяся с глутаматом, обозначается как тРНКГлу, а с аланином - тРНКАла. Название каждой из 20 аминоацил-тРНК-синтетаз отражает название аминокислоты, которая активируется в ходе этой реакции. Так, например, реакцию активации аспартата катализирует аспарагил-тРНК-синтетаза, которая присоединяет α-СООН-группу аминокислоты к 3'-ОН концу тРНК за счет энергии АТФ, рис. 5.
Рис. 5. Реакция активации аспартата, катализируемая аспарагил-тРНК-синтетазой
Основные этапы трансляции (события происходят на рибосоме) включают этапы:
1. инициации,
2. элонгации
3. терминации.
Инициацияначинается с присоединения к мРНК в области «кэпа» малой субъединицы рибосомы 40S, факторов инициации (IF), инициирующей Мет-тРНКМет и ГТФ. Когда в результате движения этого комплекса по мРНК антикодон Мет-тРНКМет свяжется с инициирующим кодоном АUG, комплекс останавливается. Происходит присоединение 60S-субъединицы рибосомы, сопровождающееся гидролизом ГТФ и отделением факторов инициации. Формируется 80S - рибосома с двумя активными центрами:
Ø Р (пептидильным) центром, в котором находится Мет-тРНКМет,
Ø А (аминоацильным) центром, в область которого поступает первый смысловой кодон мРНК,