Шпора. Экзамен по биологии. 1. Биология. Жизнь, происхождение. Уровни организации жизни. Термин биология
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
У эукариот разделены во времени и пространстве Транскрипция – синтез РНК по матрице ДНК Процессинг РНК (созревание РНК) Трансляция РНК – синтез белка по матрице РНК Процессинг белка (созревание белка) – приобретение белком его окончательной структуры 1. Транскрипция - синтез РНК (любых видов) по матрице ДНК В качестве матричной выступает цепь ДНК 3’→ 5’. Цепь 5’ → 3’ в транскрипции не участвует. Эту цепь называют кодогенной, т.к. последовательность нуклеотидов РНК (кодонов) совпадает с ее последовательностью. В транскрипции различают : Начало – инициацию Инициация транскрипции — сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК вблизи транскрибируемой последовательности (а у эукариот также и от более далеких участков генома — энхансеров и сайленсеров) и от наличия или отсутствия различных белковых факторов. Удлинение цепи РНК – элонгацию Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом, промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев — переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например, фосфорилирование CTD-домена у РНК-полимеразы II). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта и диссоциации фермента от матрицы (терминация). Окончание – терминацию Терминация транскрипции у эукариот менее изучена. Она завершается разрезанием РНК, после чего к её 3' концу фермент добавляет несколько аденинов (…АААА), от числа которых зависит стабильность данного транскрипта[3]. 1.Инициация транскрипции: фермент РНК-полимераза связывается с промотором на одной из цепей ДНК. (РНК-полимераза I и III транскрибируют гены т- и р-РНК; РНК-полимераза II – гены белков.) 2.Элонгация – по принципу комплементарности и антипараллельности на матричной цепи ДНК строится РНК- копия. 3. Терминация. Сигналом для этого служит образование «шпильки» на РНК, при этом РНК отсоединяется от ДНК. Постранскрипционные процессы. Процессинг (созревание) РНК (у эукариот) Процессинг РНК включает: 1.присоединение кэпа (7-метилгуанозина) к 5 концу, 2.полиаденилового хвоста к 3 концу, 3.вырезание интронов 4.сплайсинг(сшивание) экзонов Посттранскрипционные модификации РНК особенно характерны для эукариотических организмов, у которых в силу мозаичной интрон-экзонной структуры их генов первичные транскрипты представлены гигантскими предшественниками, включающими в себя последовательности как экзонов, так и интронов. 5’-Конец предшественника мРНК чаще всего подвергается котранскрипционным модификациям, в результате которых к его 5’-концевому нуклеотиду особым образом присоединяется остаток гуанозина с образованием "шапочки" – кэпа. Эта котранскрипционная модификация создает условия для прохождения следующего этапа процессинга мРНК – сплайсинга, сопровождающегося вырезанием последовательностей интронов и объединением экзонов с образованием непрерывной кодирующей последовательности мРНК. Одновременно от 3’-конца путем эндонуклеазного расщепления отделяется избыточный фрагмент РНК, и к оставшейся части присоединяется поли(А)-последовательность. Эта совокупность реакций получила название полиаденилирования мРНК. После таких котранскрипционных и посттранскрипционных модификаций пре-мРНК образовавшаяся зрелая, стабилизированная мРНК переносится из ядра в цитоплазму, часто к специфическому месту своей внутриклеточной локализации, где может быть депонирована или эффективно транслироваться рибосомами. Каждый из этапов посттранскрипционных модификаций может использоваться для регуляции уровня экспрессии соответствующих генов. 7.Этапы реализации генетической информации у эукариот. Трансляция и посттрансляционные изменения белка. Реализация генетической информации – процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная на ДНК, воплощается в биологически активные вещества – РНК и белок. Синтез белка состоит из двух этапов - транскрипции и трансляции. I. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК) . Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму. II. Трансляция (передача) - синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями: 1. Образование функционального центра рибосомы - ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке. 2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс "кодон рРНК и тРНК с аминокислотой" перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле) . После чего тРНК покидает рибосому. 3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматической сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) --> РНК (трансляция) --> белок. Многие белки синтезируются в неактивном виде и после схождения с рибосом подвергаются постсинтетическим структурным модификациям. Эти конформационные и структурные изменения полипептидных цепей получили название посттрансляционных изменений. Они включают удаление части полипептидной цепи (частичный протеолиз), ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, связывание между собой субъединиц олигомерного белка, приобретение белком нативной конформации (фолдинг). При частичном протеолизе, например, неактивные предшественники секретируемых ферментов – зимогены – образуют активный фермент после расщепления по определенным участкам молекулы. Наглядным примером последовательного протеолиза служит и образование активных форм инсулина или глюкагона из препрогормонов. В ходе ковалентных модификаций структурные белки и ферменты могут активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метильных, олигосахаридных и др. Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот: в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина, в факторах свертывания крови карбоксилируются остатки глутамата, в цепях тропоколлагена гидроксилируются остатки пролина и лизина. У некоторых белков на N-конце имеются короткие последовательности гидрофобных аминокислотных остатков, которые называют сигнальными последовательностями. Эти участки играют важную роль в транспорте белков через мембраны. В процессе переноса через мембрану сигнальная последовательность отщепляется сигнальной пептидазой. В итоге белок приобретает функциональную активность, оказавшись в соответствующей органелле или вне клетки. Существование посттрансляционной модификации расширяет возможности клеток в регуляции метаболизма. Изменения количества или активности ферментов, участвующих в модификации белков, приводят к снижению или увеличению концентрации последних, что отражается на скорости соответствующих процессов. 8.Самовоспроизведение генетического материала. Репликация. Репликон. Особенности репликации у про- и эукариот. Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию —репликация.Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным (см. рис. 2.12). Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть … отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул. Инициация репликации осуществляется в особых участках ДНК, обозначаемых ori (от англ. origin —начало). Они включают последовательность, состоящую из 300 нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Двойная спираль ДНК в этих локусах разделяется на две цепи, при этом, как правило, по обе стороны от точки начала репликации образуются области расхождения полинуклеотидных цепей — репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса ori направлениях. Между репликационными вилками образуется структура, называемая репликационным глазком, где на двух цепях материнской ДНК образуются новые полинуклеотидные цепи (рис 3.8, А). С помощью фермента геликазы, разрывающего водородные связи, двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Образующиеся при этом одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками, которые растягивают остовы цепей, делая их азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. На каждой из цепей, образующихся в области репликационной вилки, при участии фермента ДНК-полимеразы осуществляется синтез комплементарных цепей (рис 3.8, Б). Разделение спирально закрученных цепей родительской ДНК ферментом геликазой вызывает появление супервитков перед репликационной вилкой. Это объясняется тем, что при расхождении каждых 10 пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, родительская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Следовательно, для продвижения репликационной вилки вся молекула ДНК перед ней должна была бы быстро вращаться, что потребовало бы большой затраты энергии. В действительности это не наблюдается благодаря особому классу белков, называемых ДНК-топоизомеразами. Топоизомераза разрывает одну из цепей ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи. Это ослабляет накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК (рис. 3.9). К высвобождающимся водородным связям нуклеотидных последовательностей разделенных родительских цепей присоединяются свободные нуклеотиды из нуклеоплазмы, где они присутствуют в виде дезоксирибонуклеозидгрифосфатов: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарный нуклеозидтрифосфат образует водородные связи с определенным основанием материнской цепи ДНК. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы он связывается фосфодиэфирной связью с предшествующим нуклеотидом вновь синтезируемой цепи, отдавая при этом неорганический пирофосфат (рис. 3.10). Поскольку ДНК-полимераза присоединяет очередной нуклеотид к ОН-группе в 3′-положении предшествующего нуклеотида, цепь постепенно удлиняется на ее 3′-конце. Особенностью ДНК-полимеразы является ее неспособность начать синтез новой полинуклеотидной цепи путем простого связывания двух нуклеозидтрифосфатов: необходим 3′-ОН-конец какой-либо полинуклеотидной цепи, спаренной с матричной цепью ДНК, к которой ДНК-полимераза может лишь добавлять новые нуклеотиды. Такую полинук-леотиднуй цепь называют затравкой илипраймером. Роль затравки для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК в ходе репликации выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участии фермента РНК-праймазы (рис. 3.11). Указанная особенность ДНК-полимеразы означает, что матрицей при репликации может служить лишь цепь ДНК, несущая спаренную с ней затравку, которая имеет свободный 3′-ОН-конец. Способность ДНК-полимеразы осуществлять сборку полинуклеотида в направлении от 5′- к 3′ -концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Действительно, если на одной из матриц (3′ → 5′) сборка новой цепи происходит непрерывно от 5′- к 3′-концу и она постепенно удлиняется на 3′-конце, то другая цепь, синтезируемая на матрице (5′ → 3′), должна была бы расти от 3′- к 5′-концу. Это противоречит направлению действия фермента ДНК-полимеразы. В настоящее время установлено, что синтез второй цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки) также в направлении от 5′- к 3′-концу (по типу шитья «назад иголкой»). У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот они значительно короче (от 100 до 200 нуклеотидов). Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки (рис. 3.12, А). В связи с указанными особенностями репликационная вилка является асимметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно, ее синтез идет быстрее и эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов, требующих образования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому такую цепь называют запаздывающей(отстающей). Хотя отдельные фрагменты образуются в направлении 5′ → 3′, в целом эта цепь растет в направлении 3′ → 5′ (рис. 3.12, А). Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК. Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот (около 100 нуклеотидов/с) на порядок ниже, чем у прокариот (1000 нуклеотидов/с). Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками (см. гл 3.5.2. ), что затрудняет ее деспирали-зацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания образует единицу репликации — репликон. Однажды начавшись в точке начала (локус on), репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток имеют один локус on и представляют собой целиком отдельные репликоны. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В связи с этим удвоение молекулы ДНК, расположенной вдоль эукариотической хромосомы, начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно. 9.Уровни организации генетического материала. Генный уровень организации. Ген. Оп ределение. Классификация генов. Строение генов про- и эукариот. Свойства гена. По нятие о генном балансе и дозе гена. Инактивация Х-хромосомы у человека. Диагно стическое значение исследования Х-полового хроматина. Различают генный, хромосомный и геномный уровни структурно-функциональной организации наследственного материала. 1. Элементарная структура генного уровня - ген. Этот уровень объясняет дискретное и независимое наследование (III закон Менделя) и существование генных мутаций. 2. Гены эукариот находятся в хромосомах, образуя хромосомный уровень. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и передаются вместе. Этот уровень организации - необходимое условие сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер и случайное расхождение хромосом и хроматид к полюсам клетки при мейозе). Кроме этого, наличие этого уровня объясняет существование хромосомных мутаций. 3. Вся совокупность генов в функциональном отношении представляет единое целое и образует генотип (геном). Ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень объясняет внутри- и межаллельное взаимодействие генов, а также существование геномных мутаций. Элементарной функциональной единицей генетического аппарата, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма данного вида, является ген . Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность — наследование потомками признаков родителей. Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов (клеток), т.е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга. Большинство перечисленных выше особенностей организмов или клеток относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтеза многих веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами — ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Свойства белковой молекулы определяются аминокислотной последовательностью ее полипептидной цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является элементарным, или простым, признаком. Основные свойства гена как функциональной единицы генетического аппарата определяются его химической организацией. Классификация генов: Структурные гены — гены, кодирующие синтез белков. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным Функциональные гены — гены, которые контролируют и направляют деятельность структурных генов Свойства генов: 1 Ген дискретен в своем действии, т. е. обособлен в своей активности от других генов. 2 Ген специфичен в своем проявлении, т. е. отвечает за строго определенный признак или свойство организма. 3 Ген может действовать градуально, т. е. усиливать степень проявления признака при увеличении числа доминантных аллелей (дозы гена ). 4 Один ген может влиять на развитие разных признаков — это множественное, или плейотропное, действие гена . 5 Разные гены могут оказывать одинаковое действие на развитие одного и того же признака (часто количественных признаков ) — это множественные гены, или полигены. 6 Ген может взаимодействовать с другими генами, что приводит к появлению новых признаков . Такое взаимодействие осуществляется опосредованно — через синтезированные под их контролем продукты своих реакций. 7 Действие гена может быть модифицировано изменением его местоположения в хромосоме (эффект положения) или воздействием различных факторов внешней среды. Генный баланс – это механизм определения пола, первоначально обнаруженный у дрозофил, согласно которому пол особи зависит от отношения числа Х-хромосом к числу наборов аутосом (А), в соответствии с этим у самцов отношение Х/А меньше или равно 0.5, у самок - больше или равно 1.0. Доза гена – это количество копий данного гена в расчете на ядро одной клетки; в норме доза гена равна равна числу гомологичных хромосом, на которых данный ген локализован, - при этом доза гена может быть выше уровня плоидности (трисомия) или ниже (половые хромосомы у гетерогаметного пола, моносомия). Инактивация Х-хромосомы — процесс, в ходе которого инактивируется одна из двух копий Х-хромосом, представленных в клетках самок млекопитающих. Инактивация Х-хромосомы происходит в клетках самок млекопитающих для того, чтобы с двух копий Х-хромосом не образовывалось вдвое больше продуктов соответствующих генов, чем у самцов млекопитающих. Инактивированная Х-хромосома будет оставаться неактивной во всех последующих дочерних клетках, образующихся в результате деления. |