|
|
Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
97
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.58
Процесинг іРНК і його місце в експресії гена. ну масу 10 7
дальтон, а після процесингу вона скла- дає 2 х 10 6
дальтон. Наявність інтронів у генах еука ріотів є універсальним явищем. У великих генах
інтронів більше. Кількість інтронів у генах коливаєть- ся від 1 до 50. Можна припустити, що інтрони є запасом інформації, що зумовлює мінливість.
Значення процесингу полягає в тому, що еукаріо тична клітина може додатково контролювати про- цеси утворення білків, регулювати свій метаболізм, структуру і функції..
1.2.3.7
Трансляція
• ініціація
• елонгація
• термінація
• посттрансляційні перетворення білків
Процес синтезу білків (трансляція), як репліка- ція і транскрипція, умовно поділяється натри етапи:
ініціацію, елонгацію і термінацію.
1. Ініціація. Розпочинається з активації аміно- кислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини всту- пають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Так формується АК
АМФ комплекс. Реакцію каталізує фермент аміно ацил тРНК синтетаза. Для кожної амінокислоти
існує свій особливий фермент.
Амінокислота +АТФ + фермент —> Амінокисло та АМФ ферментативний комплекс +РР.
Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (амі
ноацил тРНК). Процес розпізнавання амінокислот тРНК називають рекогніцією.
Амінокислота АМФ —> ферментативний комплекс+ тРНК —> аміноацил тРНК + + АМФ + фермент.
Аміноацил тРНК комплекс надходить до місця синтезу білків, а вільний фермент може знову акти- вувати наступну молекулу амінокислоти.
Активація рибосом і початок синтезу полі
пептидного ланцюга.
Ланцюг іРНК з'єднується з малою рибосомаль ною субодиницею за допомогою спеціального триплету. Це забезпечується шляхом утворення водне- вих зв'язків між комплементарними парами відпо- відних азотистих основ іРНК та рРНК рибосом.
Амінокислота метіонін ініціює процес синтезу. Вона входить до складу тРНК, яка має УАЦ антикодон, що зв'язується з АУГ кодоном ІРНК. Комплекс, що утворюється, називається комплексом ініціації. Зго- дом до малої субодиниці ІРНК приєднується велика субодиниця, створюючи активну рибосому, що має сформовані аміноацильну (А) і пептидильну (П) ділянки (риса) мала субодиниця рибосоми + ІРНК + тРНК
метіонін —> комплекс ініціації; б) комплекс ініціації + велика субодиниця рибо- соми —> активна рибосома.
98
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис. 1.59
Активація рибосом, утворення білок синтезувального комплексу і початок синтезу поліпептидного ланцюга (а приєднання
малої субодиниці рибосоми до стартового кодону АУГ інформаційної РНК б з'єднання малої і великої субодиниць з формуван-
ням П і А ділянок): 1 комплекс ініціації; 2 активна рибосома 3 велика субодиниця; 4 мала субодиниця.
Процеси ініціації вимагають присутності специ- фічних факторів ініціації, що мають білкову природу та володіють регуляторною активністю.
2. Елонгація (подовження поліпептидного лан- цюга). Друга, навантажена, наприклад, проліном, тРНК з'єднується з рибосомою на ділянці А рис. 1.60 А, Б її антикодон зв'язується з компле- ментарним кодоном ланцюга іРНК. На ділянці П метіонін звільняється від своєї тРНК і з'єднується пептидним зв'язком з проліном (рис. 1.60 В Про- цес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьо- му процесі зв'язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається і СООН група першої аміно- кислоти утворює пептидний зв'язок з вільною NH
2 групою другої амінокислоти. Таким чином, друга тРНК уже несе дипептид. Перша тРНК, тепер вільна, відокремлюється від П ділянки рибосоми і повертається у загальний фонд тРНК у цитоплазмі рис. 1.60 В Тут вона може знову зв'язуватися зі своєю амінокислотою. тРНК дипептидний кс мплекс разом з ІРНК пе- реміщається в напрямку П ділянки рибосоми рис. 1.60 Г Цей процес називається транслока
цією (від лат translocatio переміщення).
Третя молекула тРНК зі специфічною їй амі- нокислотою, наприклад, аргініном, надходить до А ділянки рибосоми і приєднується своїм анти кодоном до комплементарного кодону іРНК рис. 1.60 Г Дипептид метіонін пролін знову при-
єднує амінокислоту аргінін за допомогою ферменту пептидилтрансферази. Таким чином, дипептид збільшується до трипептиду. Друга тРНК звіль- няється, залишає ланцюг іРНК, вивільняючи П ді
лянку. Транспортна РНК трипептидний комплекс переноситься з А ділянки на П ділянку. Весь процес, що включає надходження тРНК
амінокислотного комплексу, утворення пептидного зв'язку і транслокацію, багаторазово повторюєть- ся. В міру просування іРНК щодо рибосоми всі її кодони переміщаються по А ділянці один за одним і пептидний ланцюг зростає. У процесі елонгації бе- руть участь спеціальні білкові фактори, що регулю- ють ці процеси. Синтез пептидного ланцюга відбувається з до- сить великою швидкістю, що залежить від темпе- ратури і факторів внутрішнього і зовнішнього се- редовища. У середньому в еукаріотів ця швидкість складає близько 2 амінокислоти за 1 с. У прокарі- отів швидкість вища близько 15 амінокислот за секунду. Рибосома рухається щодо іРНК тільки водному напрямку, переміщуючись на один триплет від
5' кінця до 3' кінця іРНК. Синтез білкової молекули
(об'єднання амінокислот) відбувається у великій суб- одиниці, де навпроти одного триплету розташова- ний аміноацильний центр (від'єднання АК від тРНК), а іншого пептидильна ділянка (приєднання АК до пептиду, що зростає).
Амінокислоти зв'язуються в поліпептид у тій по- слідовності, що повідомляється їм за допомогою іРНК.
99
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.60
Механізм елонгації поліпептидного ланцюга.
3. Термінація (закінчення синтезу та вивільнен- ня поліпептидного ланцюга). У кінці ланцюга іРНК знаходиться один із "стоп" кодонів (УАА, УАГ,
УГА). Вони не розпізнаються жодною тРНК. Фактор термінації (спеціальний білок) приєднується до цього кодону і блокує подовження поліпептидного ланцюга. Як наслідок, до останньої амінокислоти синтезованого білка приєднується вода і її карбок- сильний кінець відокремлюється від тРНК. Зв'я- зок між останньою тРНК і поліпептидним ланцю- гом розривається спеціальними ферментами факторами вивільнення. Рибосома відокремлюєть- ся від ланцюга іРНК і розпадається на дві субоди ниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрап- ляє в цитоплазму. Кожна молекула ІРНК транскри- бується декілька разів, а згодом руйнується. Середній час "життя" іРНК складає приблизно 2 хв. Вибірково руйнуючи старі й створюючи нові ІРНК, клітина може регулювати як якісний, так і кількісний склад білків, а значить, рівень і спрямованість метаболізму.
Значення трансляції.
Білковий синтез є основою поділу, диференцію- вання, росту й розвитку, забезпечує особливості ме- таболізму і функцій. Білки сприяють об'єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.
Посттрансляційна модифікація білка як основа для їх функціонування. Вивільнений полі- пептид це прямолінійна молекула, що не має ме- таболічної активності. Синтезовані з амінокислот поліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ендоплазматичну сітку або комплекс
Гольджі, де завершується формування білкової мо- лекули. У процесі "дозрівання" вона може втрача- ти деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту екзопептидази, а згодом утворювати вторин- ну і третинну структури. Молекули можуть об'єд- нуватися з іншими поліпептидами для утворення четвертинної структури складних білків. Синтезо- вані молекули об'єднуються з вуглеводними або ліпідними молекулами, вбудовуються в біомембра ни або інші комплекси клітини.
Процеси зміни початкової структури поліпептиду та формування нової називаються посттрансляційною
модифікацією. Внаслідок цього білки набувають спе- цифічних властивостей і функціональної активності.
100
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя
1.2.3.8
• структурні гени
• регуляторні гени
• гени синтезу тРНК та рРНК
• мобільні генетичні елементи Ген є елементарною структурно функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток пев- ної ознаки клітини або організму. Внаслідок пере- дачі генів у ряді поколінь забезпечується спад- коємність ознак батьків. Г. Мендель був першим, хто в 1865 р. стверджу- вав про одиницю спадковості, він назвав її "спадко- вим фактором. Слово "ген" було введено В. Йоган сеном у 1909 р. для позначення одиниці спадковості, що займає особливе місце (локусу хромосомі. У
1948 р. Дж. Бідл і Е. Тейтем запропонували гіпотезу "один ген один білок" і розглядали ген як одини- цю спадкового матеріалу, що містить інформацію для утворення одного білка. Відповідно до сучас- ної концепції, гени це ділянки ДНК, що мають уні- кальну послідовність нуклеотидів, які кодують певні
іРНК, тРНК або рРНК. За допомогою трьох різно- видів РНК відбувається синтез білків, які здійсню- ють метаболізм і зумовлюють розвиток ознак. Ген це мінімальна кількість спадкового матеріалу, що необхідний для синтезу певної РНК. Мінімальні за розміром гени складаються з кількох десятків нук- леотидів, наприклад, гени тРНК. Гени великих макромолекул рРНК та іРНК містять кілька сот і навіть тисяч нуклеотидів. Наявність генів виявляється за присутності певних білків клітини або ознак організму.
Більша частина генів клітин знаходиться в репре- сованому (неактивному) стані. Приблизно 5 10 % генів дерепресовані (активні) і можуть бути транс- крибовані. Кількість і якість функціонуючих генів за- лежить від тканинної належності клітин, періоду їх життєвого циклу і стадії індивідуального розвитку.
Організація генів еукаріотпів у хромосомах
Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість генів (рис. 1.61). Геном людини містить 3,5 х 10 9
нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення 1,5 млн. генів. Од
Рис. 1.61
Розташування генів в інтерфазній хромосомі.
нак дослідження показують, що організм людини має приблизно 35000 40000 генів. Це означає, що в орга- нізмі використовується тільки близько 1 % нуклео- тидних послідовностей ДНК, тільки 1 % записаної
інформації. Значна частина геному використовується для здійснення процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту і надалі не експресується.
Інша частина надлишкової ДНК входить до складу
інтронів. І ще більша частина ДНК подана числен- ними повторами послідовностей, що не мають змісту (сателітна ДНК (рис. 1.62). Таким чином, ДНК еукаріотів можна розділити на два типи по- слідовностей нуклеотидів. Це неповторювані (уні- кальні) та повторювані послідовності. До першого типу відносяться гени, що кодують білки. Повто- рювані послідовності зустрічаються з частотою від
2 дона одну клітину. У ссавців більше половини геномної ДНК належить до типу унікальних по- слідовностей.
Гени в ДНК розташовані у лінійному порядку.
Кожний ген має своє місце розташування (локус.
Теломерні та центромерні ділянки хромосом не містять генів. Аналогічне розташування алелів ха- рактерне для гомологічної хромосоми. За способами організації нуклеотидів у ДНК, її можна розділити на такі фрагменти: 1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК 4) спей серна ДНК 5) кластери генів; 6) повторювані гени.
101
Будова гена
•
Рнс. 1.62 Структурна організація нуклеотидних послідовностей (генів) у ДНК / повторювані групи (кластери) структурних генів (наприклад,
гістонових білків); 2 міжгенна (спейсерна) ділянка; З ділянка з великою кількістю повторів (сателітна ДНК 4 ділянки регуляції активності структурного гена (регуляторний ген 5 структурний ген 6 екзони; 7 інтрони; 8 ДНК 9 повторювані гени.
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини У залежності від структури та функцій нуклео тидні послідовності можуть бути кількох типів.
Структурні гени несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. Із цих ділянок ДНК транс- крибується ІРНК, яка спрямовує синтез білків. Ре-
гуляторні гени контролюють і регулюють процес біосинтезу білка. Сателітна ДНК містить велику кількість повторюваних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК, звичайно, мають регулятор- ну або посилювальну дію на структурні гени. Класте-
ри генів це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об'єднані загальними функція- ми. Наприклад, кластери п'ятьох різних гістонів повторюються 10 20 разів. Між такими кластерами знаходяться великі спейсерні ділянки, що не транскрибуються. їх роль до кінця не з'ясована.
Повторювані гени один і той самий ген бага- торазово повторюється (декілька сотень раз не відокремлюючись один від одного, вони створюють тандеми. Наприклад, гени рРНК.
Молекулярна організація генів еукаріотів.
Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XX ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже склад- ну будову. Розглянемо принцип його організації на прикладі гена (З ланцюга гемоглобіну (рис. 1.64). На початку гена розташовані ділянки регуляції гена.
Спочатку розташована ділянка промотора, відпові- дальна за приєднання РНК полімерази та наступної
ініціації транскрипції. Неспецифічні ділянки регуляції називають TATA БОКС, що складається з багато- разово повторюваного тиміну й аденіну. Встановле- но, що РНК полімераза приєднується до цієї послідов- ності так, що її активний центр розташовується над першим нуклеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із сайту розпізнавання, сайту зв'язу вання і сайту ініціації. Комбінація нуклеотидів у про- моторі специфічна і при порушенні рамки зчитуван- ня утворює "стоп" кодони, що призводить допри- пинення транскрипції. У ділянці промотора розта- шований оператор, який може приєднувати факто- ри регуляції транскрипції. Далі розташована КЕП
послідовність ТТГЦТТАЦ, на якій ініціюється транс- крипція й утворюється 5' початкова ділянка РНК сайт ініціації транскрипції). Згодом розташований кодон ТАЦ (сайт ініціації трансляції) з'являється в утвореній іРНК. Між сайтом транскрипції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що скла- дається з 50 пар основ і називається лідерною по-
слідовністю. Далі з'являється частина структурного гена, що складається з екзонів і інтронів. Спо- чатку розташований екзон, що містить 90 пар основ, які кодують з першої по 30 амінокислоти Р лан цюга гемоглобіну. Далі знаходиться інтрон, що скла- дається із 130 пар основ, він не кодує амінокислоти. За ним міститься екзон, що складається із 222 пар основ, що кодують амінокислоти з 31 по 104. Далі розташований інтрон, що складається з 850 пар основ, за ним екзон, що містить 126 пар основ, які кодують амінокислоти 105 146. Після цього кодон термінації трансляції ТАА. Потім трейлер і сайт поліаденілування ААТААА, який необхідний для приєднання до РНК транскрипту "хвоста" полі А, який складається приблизно з 200 300 аденілових залишків. Ця ділянка ДНК необхідна для припинен- ня транскрипції. Послідовність термінатора транс- крипції починається відразу за полі А ділянкою і складається приблизно із 1000 нуклеотидів. Ця по- слідовність разом із полі А зупиняє процес транс- крипції. У межах послідовності транскрибуючого З' кінця ДНК на відстані 600 900 нуклеотидів від
102
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя полі А сайта розташована ділянка послідовностей енхансера. Ця ділянка має регуляторну активність. Вона необхідна для тимчасової і просторової органі- зації експресії гена В ланцюга гемоглобіну. Функціональні характеристики гена. 1. Гени є дискретного складовою одиницею спадкового матеріалу ділянкою ДНК. 2. Певний ген кодує синтез одного білка. Окре- мий білок може зумовлювати певну ознаку. Так формуються моногенні ознаки. 3. Клітина, орган або організм мають багато ознак, які складаються із взаємодії багатьох генів, це полігенні ознаки. 4. Дія гена специфічна, тому що ген може коду- вати тільки одну амінокислотну послідовність і ре- гулює синтез одного конкретного білка. 5. Деякі гени мають таку властивість як плейо тропність дії, визначають розвиток кількох ознак (наприклад, синдром Марфана). 6. Дозованість дії гена залежить від інтенсивності прояву ознаки (експресивність) та від кількості певно- го апеля (наприклад, багато хворобу гетерозиготному стані виявляються менше, ніж у гомозиготному). 7. На активність гена може впливати як зовнішнє, так і внутрішнє середовище. 8. Конститутивні гени це гени, що постійно експресуються, тому що білки, які ними кодують- ся, необхідні для постійної клітинної діяльності. Вони забезпечують синтез білків рибосом, цитохромів, ферментів гліколізу, переносників іонів тощо. Ці гени не потребують спеціальної регуляції. 9. Неконститутивні гени це гени неактивні, але вони експресуються тільки тоді, коли білок, який вони кодують, потрібний клітині. Ці гени регулюються клітиною або організмом. Синтезовані за їх участю білки забезпечують диференціювання і специ- фічність структури та функцій кожної клітини. 10. Сегменти ДНК можуть бути також класифі- ковані за допомогою процесів, у яких вони беруть участь а) цистрон ділянка ДНК, що містить інфор- мацію про синтез одного білка; б) мутон наймен- ша одиниця гена, що зазнає мутації; в) рекон най- менша ділянка ДНК, у межах якої відбувається ре- комбінація; г) транспозон мобільний спадковий елемент у молекулі ДНК. Мобільні генетичні елементи. Тривалий час вважали, що всі нуклеотидні послідовності мають Рис. 1.63 Б. Мак Клінток (Barbara McClintock) (нар. у 1902 р) стале розташування й опосередковано, через іРНК, беруть участь у синтезі поліпептидів. Американський вчений генетик Барбара Мак Клінток (рис. 1.63), вивчаючи природу різного за- барвлення зерен кукурудзи водному качані, зробила припущення, що існують так звані мобільні гени, які контролюють пігментацію зерен. Цей ген розташо- ваний в гетерохроматинній ділянці хромосоми, і коли він перебуває поруч з геном, відповідальним за пігмен- тацію, то блокує його дію. Стрибаючий ген (хромо- сомний дисоціатор) регулярно викликає розриви усу- міжних з ним ділянках хромосом. Справедливість такої гіпотези була експериментально підтверджена на інших генетичних моделях (дрозофіли, миші та ін.) ДНК багатьох видів містять мобільні (рухомі) генетичні елементи послідовності, здатні "стри- бати" з одної ділянки ДНК в іншу і в цих нових місцях залишати свої копії, збільшуючи тим самим генетичний матеріал. Така думка була спростова- на повідомленнями, що лише невелика частина ДНК у клітинах людини близько 1 %) дійсно кодує білки. Доведено, що в межах молекули ДНК існують не кодуючі нуклеотидні послідовності, які не містять ніякої інформації щодо білкового продукту. 103 |
|
|
Скачать 14.51 Mb.