4. Генетичний код
Це властива всім організмам єдина система запису спадкової інформації в молекулах НК. Генетичний код визначає послідовність включення АК у білок відповідно до послідовності нуклеотидів ДНК гена.
У вузькому значенні слова – це словник кодонів (триплетів), які визначають АК, і знаки пунктуації білкового синтезу.
Оскільки генетичний код зчитується з іРНК, то він записується за допомогою таких нуклеотидів як А, Г, Ц та У.
Загальні властивості генетичного коду:
триплетність – кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами, із яких важливішими є 2 перші, а третій може змінюватися;
неперехрещуваність – кодони одного гену не перехрещуються між собою, тобто кожний із нуклеотидів може входити до складу лише 1 кодону;
виродженість – більшість АК кодується кількома кодонами (синонімічні кодони). однозначність – кожен окремий кодон відповідає тільки одній амінокислоті. Це забезпечується жорсткою специфічністю аміноацил-тРНК-синтетаз, кожна з яких пізнає тільки 1 АК;
колінеарність – лінійна послідовність триплетів у молекулах іРНК і ДНК відповідає лінійному порядку розташування АК у поліпептидних ланцюгах (первинній структурі білків);
компактність – між кодонами немає "роздільних знаків, ком", тобто відсутні нуклеотиди, які б відокремлювали один кодон від іншого;
універсальність – основна частина генетичного коду однакова для всіх організмів, але в деяких специфічних системах трансляції (мітохондрії, хлоропласти, мікоплазми, війчасті найпростіші тощо) віднайдені незначні відхилення від стандартного набору. Це своєрідні "діалекти" коду, що відображають специфіку їх еволюції та функціонування.
зчитування інформації починається з певної точки, яка представлена кодоном ініціації (АУГ, ГУГ – формілметіонін), і здійснюється в одному напрямку;
зчитування інформації завершується на кодонах термінації. До них відносяться УАГ, УГА, УАА та інші, котрі використовуються значно рідше і суттєво не порушують однозначність кодування.
Такі властивості генетичного коду забезпечують можливість формування найрізноманітніших ознак за допомогою двох матричних процесів: транскрипції і трансляції.
5. Реалізація генетичного коду (експресія генів)
Інформаційні взаємодії між ДНК, РНК і білками охоплюють такі процеси як
реплікація забезпечує відтворення ідентичної копії батьківської ДНК;
транскрипція – переписування інформації з ДНК на іРНК;
трансляція (переведення) цієї інформації на рівень білків.
Крім того, інформація може передаватись у зворотному напрямку (від РНК до ДНК). Цей процес називається зворотна транскрипція.
Від білків до НК інформація не передається, тобто зворотна трансляція не виявлена.
Транскрипція
у прокаріот здійснюється за допомогою одного ферменту (ДНК-залежна РНК-полімераза), який забезпечує синтез всіх типів РНК.
В еукаріотів існують три різні ДНК-залежні РНК-полімерази, кожна з яких відповідає за транскрипцію генів, які кодують різні типи РНК:
I-рибосомні,
II-матричні,
III-транспортні + 5S РНК.
Механізми синтезу РНК для всіх РНК-полімераз є ідентичні, але кожний фермент пізнає свої характерні особливості відповідної ділянки ДНК, які визначають сайти ініціації, термінації та регуляції транскрипції.
Транскрипція ініціюється на особливих послідовностях – промоторах – і продовжується на решту гена (елонгація).
Термінація транскрипції здійснюється за допомогою послідовностей ДНК, які утворюють шпильки, з якими взаємодіє ρ-фактор. Цей невеликий білок міцно зв’язується з ДНК і перешкоджає подальшому просуванню РНК-полімерази вздовж гена. Синтез відповідної РНК закінчується.
Оскільки РНК-полімераза не може відрізняти екзони від інтронів, то іРНК, що синтезується на основі генів еукаріот, характеризується відповідною до них мозаїчною будовою.
Це так званий первинний транскрипт або пре-мРНК, котра має численні некодуючі послідовності.
Тому після завершення транскрипції відбувається вирізання інтронів (нуклеази) і зшивання екзонів (лігази), а також приєднання до іРНК регуляторних послідовностей (кеп → рибосома, полі–А → вихід із ядра), що є суттєвим для нормальної експресії генів. Така послідовність подій називається дозріванням або процесингом пре-мРНК.
При цьому в еукаріотів досить поширеним є так званий диференційований процесинг, коли один й той самий первинний транскрипт може нарізуватись і з’єднуватись різними шляхами (альтернативний сплайсинг), даючи кілька мРНК, що кодують різні білки.
Наприклад,
Синтез різних гормонів і нейромедіаторів гіпофізу із одного попередника (одного гена)
Стать у дрозофіли визначається одним геном, але для формування чоловічої статі з нього зчитується один набір екзонів, а для жіночої – інший.
Пептиди ГМ ендорфіни та енкефаліни синтезуються із одного попередника внаслідок різних варіантів його процесингу залежно від типу клітин і стадії розвитку організму тощо.
Трансляція
У прокаріотів транскрипція і трансляція пов’язані між собою і відбуваються у цитоплазмі, а в еукаріотів ці процеси розірвані у часі та просторі завдяки наявності ядерної оболонки.
Трансляція відбувається на рибосомах, які складаються з двох субодиниць і становлять собою складний мультимерний комплекс із кількох рРНК і багатьох білків.
Прокаріоти → 70S: 16S → 30S; 21S + 5S→ 50S
більше 50 білків
Еукаріоти → 80S: 18S → 40S; 28S + 5S + 5,8S → 60S
близько 100 білків
S – показники седиментації: швидкість осадження молекул в процесі центрифугування; 1S – 10-13сек.
Прокаріоти, хлоропласти і мітохондрії мають рибосоми, в яких співвідношення рРНК і білків = 2:1.
Еукаріоти → 1:1.
У складі рибосом рРНК знаходиться у вигляді солей магнію та кальцію. При зниженні концентрації магнію рибосоми дисоціюють на субодиниці, котрі за наявності відповідних компонентів можуть знову об’єднатись у цілісний комплекс.
Для цього необхідна попередня активація АК, які за участю АТФ приєднуються до відповідних тРНК, що містять антикодони. Внаслідок виродженості генетичного коду (1 АК → кілька кодонів) кожній АК відповідає кілька тРНК, які називаються ізоакцепторними тРНК (~75).
Вони накопичуються біля меншою із субодиниць рибосоми, до якої приєднується іРНК та ініціаторна тРНК з відповідною АК.
Цей комплекс набуває здатності реагувати з більшою одиницею. Формуються 2 активні центри рибосоми:
А–центр забезпечує приєднання АА-тРНК з АК,
П-центр відповідає за утворення пептидного зв’язку між АК.
Переміщення іРНК на 1 кодон спричинює випадіння з рибосоми відпрацьованої молекули тРНК, а між двома сусідніми амінокислотами утворюється пептидний зв’язок.
Пройшовши через одну рибосому, звільнений кінець іРНК може прикріплюватися до іншої, започатковуючи синтез нової білкової молекули. Внаслідок цього на одній іРНК може одночасно синтезуватися чимало поліпептидів.
Термінація біосинтезу білка завершується на стоп - кодонах, до яких не має жодної тРНК (УАГ, УГА, УАА). Пептидний ланцюг, що має первинну структуру, опиняється у цитоплазмі, де формуються відповідні II, III і IV структури білкових молекул.
Адекватне протікання всіх етапів біосинтезу білка здійснюється за допомогою відповідних білкових факторів і потребує чимало енергії АТФ або ГТФ.
Регуляція експресії генів
У прокаріотів реалізація дії генів регулюється головним чином на рівні транскрипції і лише зрідка –на початку трансляції.
САМОСТІЙНО: лактозний оперон
ключові слова:
оперон, білок – репресор,
ген – оператор,
РНК-полімераза,
негативна і позитивна регуляція,
цАМФ.
В еукаріотів оперонні структури не виявлені, а експресія генів здійснюється набагато гнучкіше. Це зумовлюється наявністю більш численних рівнів регуляції.
Регуляторні сегменти ДНК утворюються складними наборами відносно коротких послідовностей нуклеотидів, які можуть знаходитись у різних місцях ДНК і на різних відстанях від сайтів транскрипції. Це означає, що функція будь-якого гену контролюється численними регуляторними впливами.
Зокрема, таку роль можуть виконувати:
Енхансери – ділянки ДНК, що можуть знаходитися досить далеко від гену, який експресується. Вони посилюють транскрипцію через модифікацію нуклеосом, які стають менш компактними.
Репресори (супресори) можуть вибірково гальмувати синтез РНК. Зосереджені в районах центромер і теломер → зв’язки з ядерною мембраною → вибіркової доступність генів для транскрипції.
Білкові фактори ініціації, елонгації і термінації регулюють експресію внаслідок того, що без них РНК-полімераза та інші ферменти не можуть самостійно каталізувати необхідні реакції біосинтезу
Просторові зміни ДНК → перехід від В- до Z- форми ДНК призводить до зменшення здатності зв’язувати РНК-полімеразу. Утворення Z-форми полегшується у місцях із метильованим цитозином.
Структурні зміни хроматину → рівень експресії досить великий тільки в "розгорнутих" ділянках. Нуклеосоми з активними генами містять мало Н1, багато ацетильованих гістонів і НГБ.
Хімічні модифікації нуклеотидів, наприклад,
метилування кінцевих залишків цитозину одного гену може спричинювати зменшення або повне припинення експресії сусіднього гену. Цей процес відіграє суттєву роль в диференціації клітин у ранньому ембріогенезі.
зростання концентрації натрію, ацетилування та фосфорилювання гістонів викликає швидку деконденсацію хроматину з наступною експресією відповідних генів
фосфорилювання НГБ веде до зміцнення їх зв’язку з ДНК і блокуванню транскрипції
Наявність білків репресорів або активаторів транскрипції, які регулюють взаємодію РНК-полімерази з промоторами. Подібну функцію можуть виконувати і деякі метаболіти, що відіграють роль корепресорів або коактиваторів.
Тривалість життя мРНК, яка залежить від її вторинної структури
Гормони здійснюють регуляторний вплив різними способами. Зокрема, ефект стероїдних гормонів зумовлюється числом молекул рецепторів на мембранах клітин-мішеней. У комплексі з таким рецепторним білком ці гормони переміщуються в ядро, де взаємодіють із НГБ та специфічною ділянкою ДНК, що має властивості енхансера. Внаслідок цього активуються відповідні гени і починається синтез специфічних для цієї клітини білків. Решта гормонів здійснює свій вплив на транскрипцію через цАМФ, який сприяє фосфорилюванню гістонів, зменшенню сили їхнього зв’язку з ДНК і активації відповідних генів.
Нервова регуляція
Зовнішні фактори
Зокрема тепловий шок та інші стресові фактори ініціюють припинення синтезу нормальних білків і початок експресії білків теплового шоку. Їх число зростає з 1 молекули на клітину до тисяч. Вони практично однакові у різних організмів, а мутації відповідних генів – летальні. Це свідчить про те, що такі білки відіграють дуже важливу роль у пристосувальних реакціях організму.
Всі регуляторні системи еукаріотів взаємодіють між собою, формуючі складну генну сітку, що сприяє практично безмежній пластичності геному і створює підмурівок для його мінливості.