Shporgalki_dodelannye / Биология / Реализация генетической информации в признак

Реализация генетической информации в признак.
Одним из цен¬тральных процессов метаболизма клетки, связанных с потоком вещества, энергии и информации, является биосинтез белка – формирование сложной молекулы белка-полимера из аминокислот-мономеров. В реализации этого процесса принимают участие как компоненты ядра так и цитоплазмы. Большую роль в хранении и передаче наследственного материала играют хромосомы. Они представляют собой комплекс ДНК, РНК и белков в соотношении 1:0,1:1,3. Основа каждой хромосомы образована ДНК, молекула которой имеет вид спирали. Она, упакована различными белками, среди которых различают гистоновые и негистоновые. В результате ассоциации ДНК с белками образуются дезоксинуклеопротеиды (ДНП) (слайд № 3 а).
В хромосоме молекула ДНК упакована компактно. Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, длина всех хромосом около 170 см.
ДНК ассоциирована с белками-гистонами, в результате чего образуются нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Нуклеосомы, напоминающие бусины диаметром 10 нм, состоят из 8 молекул гистонов (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4), вокруг которых закручен участок ДНК. Гистоны – это белки хроматина. Они представляют собой относительно небольшие белки, с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет им прочно связываться с ДНК независимо от ее нуклеотидного состава. Скорее всего гистоны постоянно находятся в комплексе с ДНК и, следовательно, играют существенную роль во всех процессах, связанных с функционированием генома. Между нуклеосомами располагаются линейные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов, а гистон — H1 обеспечивает взаимный контакт соседних нуклеосом. Нуклеосомы — это лишь первый уровень укладки ДНК. В результате суперспирализации ДНП сначала образуются нуклеомеры, затем хромомеры, затем хромонемы и затем хромосомы (слайд № 3 б). Такая компактизация хроматина необходима для более точного распределения генетической информации между дочерними клетками.
Ядро способно выполнять в клетке 2 группы функций: одна связана с хранением генетической информации, другая – с ее реализацией. Т.е. ядро представляет собой не только вместилище генетического материала (хорошо защищенного ядерной мембраной), но и место, где этот материал воспроизводится. На организменном уровне ведущая роль ядра про¬является в поддержании гомеостаза. Живой организм, будучи открытой системой, на любом этапе индивидуаль¬ного развития существует в единстве со средой обитания, при этом, адекватно реагируя на изменяющиеся условия, сохраняет себя как отдельную биологическую систему. Свойство живых форм поддерживать генетическую конструкцию, постоянство внутренней среды закреплено генетически и сложилось в процессе эволюции. Эффективность механизмов гомеостаза определяется генотипами особей, т.е. опять же, характером генов, молекул ДНК.
Для реализации генетической информации требуется создание собственно аппарата белкового синтеза. Это включает синтез на молекулах ДНК разных информационных РНК, транспортных и рибосомных РНК. Кроме того, в ядре эукариотических клеток происходит образование субъединиц рибосом путем образования комплекса рибосомных белков и рибосомных РНК, которые затем переходят в цитоплазму и на мембраны ЭПС, где и функциони¬руют. Конечным результатом реализации генетической информации является синтез полипептидных цепей в рибосоме.
Информация, содержащаяся в ДНК, пе¬редается синтезируемому белку через РНК. Считывание наследственной информации с генов регулируется белками. Освободившийся от гистонов ген дерепрессируется К этому месту – промотору прикрепляется фермент РНК-полимераза и происходит считывание наслед¬ственной информации. Этот процесс получил название транскрипция и он приводит к образованию незрелой, про-иРНК или проматричной РНК. ( слайд № 4 - транскрипция и процессинг).
Молекула про-и-РНК гораздо крупнее зрелой и-РНК. Процесс ее созревания происходит в ядре и называется процессинг. Начальным этапом процессинга является сплайсинг, который заключается в узнавании и вырезании с помощью особых ферментов интронов - (некодирующих последовательностей нуклеотидов) на про-и-РНК и сшивание другими ферментами оставшихся экзонов -(кодирующих последовательностей нуклеотидов).
Затем зрелая и РНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму, направляется к рибосомам, где осуществляется процесс трансляции.
Биосинтез белка имеет два аспекта: химический и генетический. Принципиальным моментом является то, что в природе белок строится путем последовательного добавления аминокислотных остатков к одному из концов растущей полипептидной цепи с одновременным сканированием матричного полинуклеотида (иРНК), задающего порядок добавления различных аминокислотных остатков. При этом происходят три последовательные химические реакции. Слайд № 5 ( химический аспект процесса трансляции). Сначала происходит активизация аминокислоты за счет образования ангидридной связи между ее карбоксилом и фосфатом адениловой кислоты, в результате образуются пирофосфат и аминоацил-аденилат:
1) аминокислота + АТФ ? аминоацил-аденилат + пирофосфат;
Затем происходит образование сложноэфирной связи между карбоксилом аминокислоты и гидроксилом концевого рибозного остатка тРНК с образованием аминоацил т РНК:
2) аминоацил-аденилат + тРНК ? аминоацил-тРНК + АМФ;
Обе реакции происходят вне рибосомы и катализируются ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой.
Третья реакция – транспептидация. Она осуществляется и катализируется рибосомой и заключается в образовании полипептида.
3) пептидил(n)-тРНК + аминоацил-тРНК ? тРНК-пептидил (n +1)-тРНК.
Таким образом, именно молекулы аминоацил-тРНК являются формой поступления аминокислотных остатков в рибосомы.
Генетическая сторона биосинтеза белка определяется тем, что в процессе биосинтеза белка рибосома: а) принимает кодированную генетическую информацию от ДНК в виде мРНК и расшифровывает ее, б) катализирует образование пептидных связей в реакции транспептидации и в) передвигает цепь мРНК и молекулы тРНК.
Процесс трансляции складывается из инициации, элонгации и терминации.( слайд № 5- трансляция на рибосоме)
Инициация приводит к взаимодействию рибосомы с мРНК и последующему считыванию информации. За стадией инициации следует стадия собственно трансляции, или элонгации (роста полипептидной цепи), которая заканчивается стадией терминации.
Для осуществления инициации Природа изобрела специальные механизмы.
Узнавание рибосомой стартовой точки трансляции мРНК должно быть очень точным. Рибосома читает кодоны мРНК строго последовательно, триплет за триплетом, и это устанавливает так называемую рамку или фазу считывания. Никаких «пробелов» или «запятых» между триплетами нет: их правильное считывание определяется только изначально заданной триплетной рамкой, изменение которой может привести к утрате первой аминокислоты пептида или к полной бессмысленности всей остальной аминокислотной последовательности.
В качестве инициирующего кодона в большинстве случаев выступает триплет AUG. Инициаторная аминоацил-тРНК всегда метионил-тРНК, как у прокариот, так и эукариот, поэтому любая полипептидная цепь, синтезируемая на рибосоме, начинается с метионина.
Затем начинается фаза элонгации. Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой) аминокислотой и последующей (второй) аминокислотой. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается, а освободившийся участок занимает следующая по счету аминоацил-тРНК. Таким образом, наращивается аминокислотная последовательность синтезированного полипептида.
Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-кодонов мРНК в рибосому. Поскольку такой триплет не несет информации об аминокислоте, он узнается соответствующими белками терминации и синтез полипептида прекращается.
Посттрансляционная модификация полипептида или эпигенез представляет собой завершающий реализации генетической информации в клетке, приводящей к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка.