2.5 Генетический код и его свойства: триплетность, неперекрываемость, вырожденность и универсальность. Коллинеарность гена и кодируемого им белка.
Генетический код – это способ кодирования последовательности аминокислот полипептида (белка) с помощью последовательности нуклеотидов нуклеиновой кислоты (мРНК или комплиментарного ей участка ДНК, на котором синтезируется мРНК).
Свойства генетического кода:
Триплетность – каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов (кодон). Три триплета не кодируют аминокислот, а являются стоп-сигналами: УАА, УАГ, УГА.
Вырожденность – каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (2-6). Исключения: метионин и триптофан.
Неперекрываемость – нуклеотид одного кодона не может быть нуклеотидом одновременно нуклеотидом другого кодона.
Универсальность – код един для всех живых существ на Земле, т.е. одни и те же триплеты у разных организмов кодируют одни и те же аминокислоты.
Коллинеарность – свойство, обуславливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, коллинеарность – св-во , благодаря которому в белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны распологаются в гене, т.е. положение каждой аминокислоты в цепи зависит от особого участка гена.
Гипотеза о коллинеарности гена и кодируего им белка была высказана Г.А. Гамовым. Благодаря концепции коллинеарности можно определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и мРНК, если известен состав белка и наоборот, предсказать состав белка, определив состав нуклеотидов ДНК.
2.6 Регуляция активности генов у прокариот. Теория ф. Жакоба и ж. Моно о механизме регуляции действия генов. Адаптивный синтез ферментов. Оперон.
Регуляцию активности генов у прокариот можно рассмотреть на примерах лактозного и триптофанового оперонов.
Регуляция с помощью белка-репрессора:
Лактозный оперон кишечной палочки — группа генов, контролирующая синтез ферментов, осуществляющих расщепление лактозы. На нем выделяют промотор (Р) к которому прикрепляется РНК-полимераза, оператор (О), к которому может прикрепляться белок-репрессор, три участка (lac Z, lac Y, lac A) представляющие собой структурные гены и участок lac I, при транскрипции которого появляется мРНК белка-репрессора и затем сам белок. В отсутствии лактозы нет необходимости в экспрессии лактозного опреона, поэтому белок репрессор свободно садится на оператор, тем самым препятствуя транскрипции. Лактоза же делает белок-ркперссор неактивным, т.е. белок не мешает транскрипции.
В описанном выше случае соединение индуктора с белком-регулятором разрешало транскрипцию (негативная индукция), но возможна и обратная ситуация (негативная индукция).
Примером такой регуляции может служить хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки. В его состав входят пять структурных генов, обеспечивающих синтез аминокислоты триптофана, оператор и промотор. Репрессор синтезируется вне триптофанового оперона. Пока клетка успевает расходовать весь синтезирующийся триптофан, оперон работает, синтез триптофана продолжается. Если же в клетке появляется избыток триптофана, он соединяется с репрессором и изменяет его таким образом, что этот белок связывается с оператором. Комплекс репрессора с триптофаном взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов, вследствие чего синтез триптофана прекращается. В отсутствие триптофана репрессор лишается способности связываться с оператором, и происходит транскрипция структурных генов оперона и, в итоге, синтез триптофана в клетке.
Другой уровень регуляции триптофанового оперона включает аттенуацию — тонкую подстройку количества продукта в зависимости от концентрации присутствующего триптофана.
Регуляция в данном случае осуществляется за счет того, что в начале первого гена оперона закодировано несколько остатков триптофана; в присутствии триптофана трансляция этого участка идет с нормальной скоростью, и перед рибосомой образуется терминирующая шпилька, которая влияет на РНК-полимеразу, в результате чего транскрипция останавливается.
При низкой концентрации триптофана рибосома "застопоривается" на триптофановых кодонах — их трансляция занимает больше времени. В результате РНК формирует альтернативную вторичную структуру, которая не приводит к терминации транскрипции, рибосома расплетает ее, и экспрессия оперона продолжается.
Ф. Жакоб и Ж. Моно выдвинули в 1961 году гипотезу оперона. По этой схеме гены функционально неодинаковы. Один из них - структурный ген, содержит информацию о расположении аминокислот в молекуле белка фермента, другие выполняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных генов – гены – регуляторы. Структурные гены располагаются рядом и образуют блок – оперон. Они программируют синтез ферментов. Кроме того в оперон входят участки, относящиеся к процессу включения транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционирует одновременно, поэтому ферменты одной цепи реакции либо синтезируются все, либо не синтезируется ни один из них. В самом начале структуры оперона находится ген – оператор, который включает и выключает структурные гены. Оператор контролирует ген – регулятор. Ген-регулятор кодирует синтез белка-репрессора. Репрессор в активной форме блокирует транскрипцию, считывание генетической информации прекращается и весь оперон выключается. До тех пор, пока репрессор связан с геном-оператором, оперон находится в выключенном состоянии. При переходе в неактивную форму ген-оператор освобождается, происходит включение оперона и начинается синтез соответствующей РНК с последующим процессом синтеза ферментов. Оперонная система представляет собой один из механизмов регуляции синтеза белка.
Оперон – это полная единица выражения гена, включая структурные гены, регуляторные гены и контролирующие элементы (сайты действия регуляторных белков).