Глава 7. Генетика прокариотов

Генетическим материалом бактерий является нуклеойд. У части бактерий обнаружены внехромосомные молекулы ДНК, которые представлены мигрирующими генетическими элементами (плазмиды, Is-элементы, транспозоны).

7.1. Репликация хромосомы и биосинтез белков и аминокислот

У бактерий имеется одна замкнутая кольцевидная хромосома, содержащая более 4000 генов. Ген - структурно-функциональная единица хромосомы, отвечающая за наличие и функцию определенного белка организма. Бактериальная хромосома непрерывная молекула длинной около 1 мм, реплицирующаяся в соответствии с полуконсервативным механизмом. Репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где есть ферментативный аппарат, ответственный за репликацию. Контакт ДНК с ЦПМ происходит посредством мезосом. Бактериальная хромосома реплицируется последовательно вдоль всей структуры в противоположных направлениях от специфического участка, который назван - источником репликации. Хромосома передвигается за местом прикрепления к мембране, при этом комплементарные цепи разделяются, раскручиваются и каждая служит матрицей, на которой происходит сборка дочерней комплементарной цепи, путем ферментативной полимеризации нуклеотидных субъединиц. Для синтеза каждого сегмента цепи обрзуется затравочная РНК. После того, как все сегменты цепи будут синтезированы, затравочная РНК вырезается и замещается комплементарными основаниями ДНК-матрицы. Затем идет суперспирализация вновь синтезированных участков ДНК и их ревизия.

Биосинтез аминокислот. Микроорганизмам необходимы аминокислоты, которые могут участвовать в биосинтетических механизмах или расщеплениях на более простые продукты. Основными исходными соединениями для биосинтеза аминокислот являются: пируват, - кетоглутарат, фумарат. Атом азота вводится на последних этапах биосинтеза аминокислот, посредством переаминирования. Прямым аминированием азота образуются аспартат и еще - глутамат и аланины. Ионы аммония транформируют неорганический азот в органические соединения.

Глутамат и глутамин образуются посредством восстановительного аминирования из кетоглютарата и служат основой для синтеза пролина и аргинина. Аспартат синтезируется трансаминированием оксалоацетата, который может быть восстановлен до метионина и лизина и еще - треонина, изолейцина. Серин, глицин и цистин образуются из 3-фосфоргли-церата. Гистидин синтезируется на пятиуглеродной основе фосфорибозилпирофосфата.

Биосинтез белка. Синтез белка осуществляется сложной белоксинтезирующей системой:

1. Рибосомные субъединицы 30s и 50s, которые у прокариот образуют рибосому 70s.

2. Матричная РНК (мРНК).

3. Полный комплект двадцати аминоацил- тРНК, которым необходимы аминокислоты, аминоацил-тРНК-синтетазы, тРНК и АТФ.

4. Белковые факторы инициации (у прокариот IF-1, IF-2, IF-3).

5. Белковые факторы элонгации (у прокариот EF-Tu, EF-Ts, EF-G).

6. Белковые факторы терминации (у прокариот RF-1, RF-2, RF-3).

7. Некоторые белковые факторы (ассоциации, диссоциации, высвобождения и пр.).

8. Гуанозинтрифосфат (ГТФ).

9. Неорганические катионы (двухвалентные магний, кальций, одновалентные калий).

Рибосома объединяет все компоненты белоксинтезирующей системы в единый комплекс. Именно в ней совершается биосинтез белка, после того, как субъединицы 30s и 50s образуют рибосому 70s

Рибосома выполняет следующие функции для биосинтеза белка:

1. Динамического связывания и удерживания всех компонентов белоксинтезирующей системы. Создаются условия для взаимопрочитывания двух потоков информации - один запрограммирован в мРНК, другой - в антикодонах аа-тРНК.

2. Образование пептидных связей между аминокислотами в синтезируемом пептиде и гидролиз ГТФ.

3. Транслокации растущего пептида, связанного с тРНК на другой участок хромосомы и продвижение рибосом вдоль мРНК. Таких участков три, с одним из них связана мРНК. Два других предназначены для связывания тРНК.

Процесс синтеза белка складывается из двух процессов: транскрипции и трансляции.

Последовательность расположения аминокислот в белке запрограммирована геномом в виде последовательности кодонов. Перенос информации происходит через мРНК. Транскрипция - переписывание информации с ДНК-гена на мРНК-ген с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Область ДНК, с которой связывается РНК-полимераза, называется промотором. Транскрипция включает стадии:

1. Инициации транскрипции - core-энзим взаимодействует с  (сигма)-фактором, образуя холоэнзим РНК-полимеразы. РНК-полимераза связывается с промотором ДНК, образуя транскрипционный комплекс. Начинается синтез мРНК и высвобождение -фактора.

2. Собственно транскрипция - удлинение цепи мРНК .

3. Терминация транскрипции.

Для обеспечения транскрипции необходимы определенные условия (рН, температура, наличие магния, калия и пр.), наличия энергии (ГТФ), наличия матрицы (мРНК), белков строительных (аминокислот).

Трансляция. Это процесс расшифровки генетического кода в мРНК и овеществление его в виде полипептидной цепи. Трансляция состоит из следующих этапов:

1. Инициации трансляции.

2. Собственно трансляции - удлинение полипептидной цепи.

3. Терминации трансляции.

4. Модификации полипептидной цепи.

Инициация. Под инициацией понимают процесс формирования активного комплекса рибосом 70s-мРНК, формирования тРНК на Р-участках рибосомы, освобождение А-участка для очередной аминоацил-тРНК. В процессе участвуют факторы инициации - IF.

Элонгация. В этом процессе участвуют белковые факторы элонгации EF. Это процесс удлинения растущей на рибосоме полипептидной цепи за счет включения аминокислотных остатков в последовательности, соответствующие расположению кодонов в мРНК.

Терминация – это заключительный этап биосинтезза белка. Участвуют факторы RF.

Модификация полипептидной цепи. Белковая молекула после модификации имеет окончательную структуру и конформацию, определяющую ее функциональные свойства.

Гены бактерий, в отличие от генов вирусов, не содержат интронов, поэтому у бактерий отсутствует сплайсинг (англ.- сращивать) - процесс вырезания интронов (некодирующих последовательностей у генов) и сшивание экзонов (кодирующих последовательностей).

Синтез пептидогликана клеточной стенки. Основным предшественником клеточного пептидогликана является ИДР - связанный ацетилглюкозамин (ИДР-GlcNac) и другой ИДР - связанный пентапептид мураминовой кислотой (ИДР-MA-пентапептид). Процесс идет с поэтапного синтеза в цитоплазме ИДР-МА-полипептида. Вначале к ИДР прикрепляется ацетилглюкозамин с последующим превращением в ИДР-мураминовую кислоту за счет его соединения с фосфоенолпируватом и восстановления. Аминокислоты пентапептида всегда добавляются последовательно, причем каждое добавление катализируется различными по типу ферментами с расщеплением АТФ до АДФ и Р1.

ИДР-МА-пентопептид прикрепляется к бактопренолу (липид клеточной мембраны) и получает от ИДР молекулу GlcNac. Сформировавшийся дисахарид полимеризуется до олигомерной промежуточной формы, а затем переносится к растущему концу полимера гликопептидного в клеточной оболочке. Такое перекрестное связывание завершается транспептидацией, в которой свободные аминные группы пентаглицина замещают терминальные окончания D-аланина в соседнем пентапептиде.

Гены микроорганизма с помощью кодируемых ими белков осуществляют регуляцию потока всей поступающей в хромосому информации.

Ген - оператор (О) - управляет всеми генами.

Промотор - это участок ДНК, распознаваемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой.

Оператор - это область между промотором и структурными генами, с которой связан блок-репрессор.

Оперон содержит регуляторный ген, последовательность генов, регулируемых данным опероном, промоторный участок - это область оператора. Он является функциональной единицей гена.

Ген-регулятор кодирует блок-репрессор, связывающий оператор и индуктор (лактоза). Нет индуктора - оперон молчит, появился индуктор - оперон активно работает

Белок-репрессор распознает нуклеотидную последовательность ДНК.

Lac-оперон - индуцибельный оперон, контролирует синтез ферментов по обеспечению клетки лактозой.