Конспект не проверялся преподавателями всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!



Скачать 196.22 Kb.
Pdf просмотр
Дата16.02.2017
Размер196.22 Kb.
Просмотров226
Скачиваний0

Внимание: конспект не проверялся преподавателями — всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!
Структура генома. Биосинтез белка
1. Структура генома
Геном бактерии состоит из нескольких миллионов нуклеотидов, геном дрожжей — из нескольких десятков миллионов, мухи — из 100 миллионов и так далее. У растений размер генома чрезвычайно разнообразный,
например у лилии в 100 раз больше ДНК, чем у человека. Есть растения, геном которых в 10 раз меньше генома человека. Размер генома, хоть и коррелирует с уровнем организации живой материи, но коррелирует очень слабо.
Очевидно, что с уровнем организации связана не общая емкость генома, а объем информации, содержа- щийся в нем. В первом приближении можно оценить объем записанной информации в числе генов. Сколько у организма генов, столько примерно белков он и кодирует. При таком сравнении геномов появляется четкая корреляция. У бактерий белок-кодирующих генов примерно несколько тысяч, у дрожжей — в несколько раз больше, а у человека — примерно в 10 раз больше. У всех высших многоклеточных число генов примерное одинаково — 20000 – 25000 генов.
Оставшийся объем генома — это некодирующая ДНК. Например, у человека она составляет 99% генома,
и только 1% — это информация о белке. Что представляют собой эти 99%? Оказывается, что как минимум на половину некодирующая ДНК состоит из вирусных геномов, когда-то встроившихся в нашу ДНК. Главным образом это те вирусы, в жизненном цикле которых есть стадия интеграции в ДНК клетки-хозяина. Они могут вставляться, вырезаться из ДНК и снова встраиваться в другие области. Или они могут мутировать так, что вырезаться будет невозможно. Тогда ДНК поломанного вируса навсегда остается в геноме клетки хозяина. В итоге у человека за все его время существования накопилось около 1,5 млрд. нуклеотидных пар вирусного происхождения.
В растительном геноме также можно найти множество таких последовательностей, а также огромное ко- личество так называемых
мобильных генетических элементов. Это фрагменты генома, которые могут перемещаться с места на место и создавать многократные копии самих себя. Мобильные генетические элемен- ты, вероятно, произошли из вирусов. По своей сути это фрагменты ДНК, кодирующие ген
транспозазы. Она обеспечивает вырезание этого фрагмента и встраивание обратно в ДНК. Такие сильно упрощенные вирусы называются
транспозоны. Они тоже составляют существенную часть нашей ДНК. Фактически, это пара- зитирование одних нуклеиновых кислот на других. Мобильные элементы нельзя называть по-настоящему живыми. Даже у вирусов есть оболочка и отдельный, относительно самостоятельный геном, с помощью ко- торого он может размножаться в чужих клетках. У транспозонов есть только ДНК.
Есть интересная гипотеза, которую поддерживает большинство исследователей, о том, что
Homo sapiens как вид появился вследствие локального всплеска активности мобильных генетиче- ских элементов. Это привело к перетасовке мобильных элементов внутри генома. У нас и шимпанзе их набор схож, но места интеграции — разные. Оказывается, что когда эти элементы прыгают по
ДНК, они могут изменить активность гена. Допустим, у шимпанзе есть ген, который транскри- бируется со скоростью 10 иРНК/час. Мобильный элемент, который встроится рядом с ним может либо совсем выключить ген, либо наоборот усилить его работу, например, до 100 иРНК/час. Этот всплеск перетасовки привел к тому, что появились новые существа. Они появились, конечно, не за одно поколение. Их появление связывают с локальным всплеском изменчивости, который, воз- можно, связан с мобильными элементами.
В данный момент развитие молекулярной биологии идет очень интенсивно. Ученые исследуют устройство генома, и, может быть, в ближайшем будущем появится ответ на вопрос «зачем же нам такой генетический балласт».
Существует формальное деление последовательностей, встречающихся в геномах, по степени их встреча- емости:
• Сателлитные повторы (сателлитные ДНК) — последовательности, которые встречаются много тысяч раз. Они обычно короткие, по 5 – 100 букв.
• Умеренные повторы встречаются несколько десятков раз. Сюда входят, в том числе, и гены. Например,
гены, кодирующие рРНК, могут встречаться в геноме десятки раз, потому что не могут размножаться на уровне трансляции. Нормальные гены реализуются в виде РНК и белков много раз, то есть их
Замечания и предложения просьба писать на pulsar@phystech.edu
. PDF с сайта lectoriy.mipt.ru
1

Внимание: конспект не проверялся преподавателями — всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!
размножение происходит как на этапе транскрипции, так на этапе трансляции. А рибосомальная РНК
размножается только на этапе транскрипции, поскольку никакого белка с нее не считывается. В клетке спрос на рРНК очень велик, поэтому для его обеспечения образуются около 300 копий генов рРНК.
• Уникальные последовательности генома содержат не только белок-кодирующие гены, но и последо- вательности ДНК, расположенные между генами, а также в составе интронов, разделяющих участки
ДНК, кодирующие полипептиды.
1.1. Экзон-интронная структура генов эукариот
Гены эукариот отличаются от генов прокариот тем, что их кодирующая часть (экзоны) разбита на фрагменты вставками (интронами). Если кодирующие фрагменты в сумме составляют 1000 – 2000 нуклеотидов, то бес- смысленные некодирующие вставки — десятки тысяч пар нуклеотидов. Это 95% от всего гена. В гене может быть один или множество экзонов, которые на последних этапах сплайсинга собираются в одну кодирующую последовательность.
Почему геном эукариот так «нашинкован» на фрагменты? Одно из объяснений заключается в том, что такое устройство генов позволяет его фрагментам быстрее эволюционировать. Существует мнение, что такое состояние генома первично. Некоторые исследователи полагают, что прокариоты возникли от клеток похожих на клетки эукариот. Прокариоты, выбрав стратегию быстрого размножения, упростились и уменьшили геном до современного бактериального. Согласно данной гипотезе, бактерии — это редуцированные эукариоты. Хотя некоторое время назад была широко распространена обратная гипотеза о том, что эукариоты произошли от прокариотных организмов.
1.1.1. Экзоны и белковые домены
Белковые домены выполняют часть функционала целого белка. Большинство белков обладают фермента- тивной активностью. Даже если белок не катализирует какую-то биохимическую реакцию, а модифицирует какой-либо другой белок, например, навешивает остаток фосфорной кислоты, он все равно является фермен- том. Из 25000 белков человека около 1% — структурные белки, 10% — ферменты в классическом понимании,
которые осуществляют реакции катаболизма и анаболизма, и примерно 90% — регуляторные белки. Они организуют сложную разветвленную сеть, с помощью которой возможна передача сигналов от одной струк- туры клетки к другой. У каждого белка в этой сети есть два состояния: включен и выключен. Переключение осуществляется другими белками, которые тем же способом регулируются следующими.
Белок состоит из нескольких частей, которые выполняют различные функции:
• Взаимодействие с субстратом
• Проведение катализа
• Настройка активности всего белка путем аллостерической регуляции
Аллостерическая регуляция — регуляция активности фермента, которая осуществляется метаболитом. Обыч- но этот метаболит находится в конечной точке биохимического пути, в которой участвует фермент. Если растет концентрация целевого вещества, то реакция, в которой участвует фермент, тормозится.
Каталитический центр и субстрат-связывающий центр белка может состоять из нескольких частей. Каж- дый блок (домен) этой белковой системы обособлен. Есть масса экспериментов, в которых вырезают блок из одного белка и пришивают к другому. И белок, к которому пришили блок, изменяет свои свойства. Белки,
слитые из нескольких частей, называются fusion-proteins.
Возможно, интрон-экзонная структура генов отражает доменную организацию белков, которые они ко- дируют. Каждый экзон кодирует определенный осмысленный домен, который отвечает за специфические функции. Если экзон отграничен от других доменов огромными вставками некодирующей последователь- ности, то можно безбоязненно разрывать интроны в любом месте для того, чтобы перенеси экзон. Если бы кодирующая последовательность была непрерывна, то было бы слишком сложно проводить с ней манипуля- ции.
Замечания и предложения просьба писать на pulsar@phystech.edu
. PDF с сайта lectoriy.mipt.ru
2

Внимание: конспект не проверялся преподавателями — всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!
2. Общая схема биосинтеза белка
Все белки в клетках синтезируются рибосомами. Рибосома состоит из большой субъединицы и малой субъ- единицы. На большой субъединице есть палец. Различают несколько типов рибосом: прокариотические, эу- кариотические, митохондриальные, архебактериальные. У прокариот в малую субъединицу входит 1 РНК, в большую 2. У эукариот 1 и 3 РНК, соответственно. Эти РНК ассоциированы с белком и выполняют функцию проволочного каркаса рибосомы.
Рис. 1: Рибосома
Весь синтез белка можно разбить на 3 этапа: инициация, элонгация и терминация. Такие этапы применимы и для транскрипции (синтеза РНК).
Начало синтеза у прокариот и эукариот существенно различается. Это связано с тем, что у прокариот гены собраны в «пачки» для удобства регуляции. У них полицистронный принцип организации генов, при котором одна длинная информационная РНК считывается сразу с нескольких генов, участвующих в одном биохими- ческом процессе. Это удобно для регулирования процессов внутри клетки. В качестве примера рассмотрим гликолиз. В нем принимают участие 10 ферментов. И все 10 ферментов нужны в эквимолярном количестве.
Зачем регулировать синтез каждого фермента по отдельности, если можно считывать одну длинную мРНК и с нее нарабатывать 10 ферментов в одинаковом количестве? Таким образом, в клетке бактерий регулируется не каждый ген, а блоки генов.
Вообще говоря, у бактерий система регуляции генной активности достаточно логичная и простая. У них есть несколько тумблеров, переключая которые, можно изменить ключевые узлы метаболизма клетки. Сле- довательно, для того чтобы с одной мРНК считать несколько белков, клетка должна уметь распознавать точку начала кодирующей белок последовательности.
2.1. Инициация трансляции у эукариот и прокариот
У бактериальной мРНК есть 5’-конец и 3’-конец, между которыми лежат непрерывные белок-кодирующие последовательности, или
ORF (open reading frame — открытые рамки считывания) (см. рис. 2). ORF —
это непрерывные последовательности из триплетов, начинающиеся старт-кодоном и заканчивающиеся стоп- кодоном. Старт-кодон — AUG, который кодирует метионин. Стоп-кодоны — это TAA, TAG или TGA на ДНК
(или UAA, UAG или UGA на иРНК). Рибосома должна опознать стартовый метиониновый кодон, ведь он может встречаться много раз в кодирующей последовательности. Для этого у бактерий есть специальная маркирующая последовательность Шайна-Дальгарно (название по фамилии ученых, открывших ее). В со- временных учебниках она называется ribosomal binding site (
RBS) — сайт связывания рибосом. На некотором расстоянии от него находится кодон AUG. RBS имеет последовательность, комплементарную участку рРНК
малой субъединицы.
Субъединицы рибосомы плавают в цитоплазме клетки по отдельности. Сначала малая субъединица связы- вает специальную тРНК. Она метиониновая, инициаторная, на ней висит формил-метионин. Этот комплекс связывается с мРНК и начинает «ездить» по нему. При этом малая субъединица рибосомы ищет RBS, а тРНК ищет старт-кодон. Если и RBS и старт-кодон находятся, комплекс останавливается в ожидании боль- шой субъединицы. После присоединения большой субъединицы начинается синтез белка.
У эукариот нет полицистронных матриц. У них одна зрелая мРНК соответствует одному гену. Иногда у некоторых эукариот, например у C.elegans, РНК может считываться с нескольких генов, но она никогда не
Замечания и предложения просьба писать на pulsar@phystech.edu
. PDF с сайта lectoriy.mipt.ru
3

Внимание: конспект не проверялся преподавателями — всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!
Рис. 2: Бактериальная мРНК
выходит из ядра в ненарезанном на отдельные гены виде. Даже если считалась одна длинная мРНК, она все равно процессируется на отдельные мРНК, соответствующие своему гену, и только потом они попадают в цитоплазму. В цитоплазме рибосома узнает их совершенно иначе, чем у прокариот.
У прокариот, в отличие от эукариот, транскрипция и трансляция происходят в одном месте и в одно время.
У них нет ядра, поэтому синтез белка может начинаться еще до окончания синтеза РНК. РНК-полимераза может считывать полицистронную мРНК, по матрице которой одновременно может начаться синтез белка.
У эукариот процессы синтеза РНК и белка происходят в ядре и цитоплазме, соответственно. РНК-полимераза эукариот синтезирует первичную мРНК, та процессируется (вырезаются интроны, навешивается CAP и поли-
А хвост) и только после этого выводится из ядра в цитоплазму через ядерные поры.
У эукариот нет RBS-последовательности. Их рибосома связывает CAP-структуру (это присоединенный наоборот нуклеотид). В цитоплазме мРНК образуют петлю, где CAP и 3’-концевой поли-A хвост находятся в пространстве вместе. Малая субъединица рибосомы начинает движение от этой структуры, объединяющей
CAP и 3’-концевой поли-A хвост, до первого кодона AUG. Когда она находит AUG, начинается синтез белка.
Действительно, в подавляющем большинстве генов кодон AUG — это стартовый метионин.
2.2. Элонгация
Элонгация у прокариот и эукариот происходит схожим образом. Матричная РНК проходит по границе между субъединицами рибосомы. На большой субъединице рибосомы есть два сайта: А-сайт (акцепторный) и P-сайт.
В акцепторном сайте находится одна тРНК, своим антикодоном соединенная с мРНК. В P-сайте находит- ся другая, предыдущая тРНК, так же своим антикодоном соединенная с мРНК. Вниз от них отходит уже синтезированный белок. Кроме того, есть еще один сайт, на котором тРНК задерживается перед тем, как покинуть рибосому. В цитоплазме плавает огромное количество заряженных тРНК с разными антикодонами и соответствующими аминокислотами, которые будут использованы при синтезе.
Все этапы синтеза белка катализируют специальные белковые факторы —
факторы трансляции. Но на самом деле, если запускать синтез в пробирке, то даже без трансляционных факторов он идет, но медленнее.
С факторами он идет быстрее, поскольку с ними синтез идет с затратами энергии от трифосфатов (обычно,
ГТФ). Эта энергия ускоряет процесс подбора правильной тРНК.
Допустим, в акцепторный сайт села правильная тРНК. Если она села, то рРНК большой субъединицы рибосомы катализируют реакцию транспептидации. При этом хвост уже синтезированного пептида с преды- дущей тРНК перебрасывается на аминокислоту следующей тРНК, тем самым удлиняя хвост на один шаг.
Отработанная тРНК вытесняется из P-сайта специальным трансляционным фактором, и следующая тРНК
переходит в P-сайт. Соответственно А-сайт остается пустым. В этот момент мРНК переходит на один три- плет вправо. Теперь в акцепторном сайте оказывается следующий триплет. К нему подбирает свой антикодон приходящая тРНК. Если тРНК приходит с подходящим антикодоном, то она задерживается, чтобы успела пройти реакция транспептидации. Если антикодон не подходит, то тРНК уплывает. На этот процесс тратится много ГТФ.
Транспортные РНК приносятся на рибосому специальными транскрипционными факторами. Фактор вза- имодействует с рибосомой, оставляет тРНК с аминокислотой в А-сайте и диссоциирует. На это затрачивается молекула ГТФ. То есть, транскрипционный фактор имеет сродство к рибосоме только в комплексе с ГТФ.
Сама тРНК плохо держится на рибосоме и задерживается достаточно долго, только если ее антикодон под-
Замечания и предложения просьба писать на pulsar@phystech.edu
. PDF с сайта lectoriy.mipt.ru
4

Внимание: конспект не проверялся преподавателями — всегда используйте рекомендуемую литературу при подготовке к экзамену!
ходит к кодону иРНК. Происходит около 60 таких переборов различных тРНК в секунду. Для сравнения
ДНК-полимераза прикрепляет около 1000 нуклеотидов в секунду.
2.3. Териминация
Терминация — окончание синтеза белка. Для нонсенс-кодона (стоп-кодона) в клетке нет соответствующей тРНК. Когда он оказывается в А-сайте, подбор тРНК продолжается, но ни одна из них не подходит. Тогда с
А-сайтом связывается релизинг-фактор (один из факторов трансляции), который по форме похож на тРНК.
Локально концентрация заряженных тРНК падает, и у релизинг-фактора появляется возможность «протис- нуться». На релизинг-факторе вместо аминокислоты висит вода и пептидная цепочка перебрасывается на нее.
Транспептидация идет на молекулу воды, белок отрывается и уплывает от рибосомы. Процесс трансляции закончен.
Замечания и предложения просьба писать на pulsar@phystech.edu
. PDF с сайта lectoriy.mipt.ru
5

Document Outline

  • Структура генома
    • Экзон-интронная структура генов эукариот
      • Экзоны и белковые домены
  • Общая схема биосинтеза белка
    • Инициация трансляции у эукариот и прокариот
    • Элонгация
    • Териминация

Каталог: file -> material
file -> Подросток и компьютерные игры
file -> Программа духовно-нравственного развития и воспитания обучающихся на уровне среднего общего образования
file -> Правила закаливания… Выпуск №1. Чтоб улыбка сияла. Мама первый стоматолог
file -> О существовании значения игры преследования
file -> Учебное пособие по нейрохирургии. Часть I. Краткая история нейрохирургии. Черепно-мозговая травма санкт-Петербург 2015
material -> Решение задачи о словаре. Задача о словаре состоит в следующем: имеется набор объектов и описаний. Эти объекты


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал