Регуляция биосинтеза белков у эукариот. Регуляция биосинтеза белков у эукариот. Харук 215П. Реферат на тему Регуляция биосинтеза белков у эукариот
 Скачать 33.34 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф.Войно-Ясенецкого" Министерства здравоохранения Российской Федерации ФГБОУ ВО КрасГМУ им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого Минздрава России Медико-психолого-фармацевтический факультет Кафедра биологической химии с курсом медицинской, фармацевтической и токсикологической химии  Реферат на тему: «Регуляция биосинтеза белков у эукариот» Выполнил: Харук Владимир Сергеевич Студент: КрасГМУ 215 группы педиатрического факультета Проверила: КБН, доцент Герцог Галина Евгеньевна Красноярск 2020 План Регуляция генной активности Механизмы эпигенетического регулирования экспрессии генов Основы системной биологии и биоинформатики Метаболическая инженерия Клеточная инженерия Метаболомика биологических объектов В каждой клетке синтезируются специфические белки, и с неодинаковой скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды образуется лишь необходимое число молекул данного белка. Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки эритроцитов содержат большое количество гемоглобина, клетки кожи – коллагена, скелетных мышц – актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочевины, которые отсутствуют у всех других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется только часть структурных генов. Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном, состоянии. Спектр функционирующих генов зависит от типа клетки, периода ее жизненного цикла, стадии индивидуального развития организма. У большинства организмов активно транскрибируются только 2-10% генов. Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным воздействиям, называются конститутивными. Обычно это гены, обеспечивающие синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК. Включение и выключение других генов зависит от различных метаболитов, эти гены называются регулируемыми. Регуляция генной активности Схема регуляции активности генов на уровне транскрипции была впервые разработана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961) на примере лактозного (lac)-оперона кишечной палочки (E . coli). Единица регуляции транскрипции была названа опероном. Оперон – это последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, участвующих в одной метаболической цепи, имеющих общий промотор и оператор. Регуляция транскрипции у эукариот Существенное усложнение эукариотических организмов повлекло за собой появление новых способов регуляции активности транскрипции: Амплификация – это увеличение количества генов, точнее многократное копирование одного гена. Естественно, все полученные копии равнозначны и одинаково активно обеспечивают транскрипцию. Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – это участки ДНК в 10-20 пар оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от промоторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками (подавляющими транскрипцию). Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с энхансерами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее активируют). Перестройка генов. К подобным процессам относится кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом, и более сложный процесс – сайт-специфичная рекомбинация, которая изменяет положение и порядок нуклеотидных последовательностей в геноме. Процессинг мРНК – некоторые пре-мРНК подвергаются разным вариантам сплайсинга (альтернативный сплайсинг) в результате чего образуются разные мРНК, и соответственно, белки с разной функцией. Изменение стабильности мРНК – чем выше продолжительность жизни мРНК в цитозоле клетки, тем больше синтезируется соответствующего белка. Механизмы эпигенетического регулирования экспрессии генов Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения экспрессии генов, вызываемые механизмами, отличными от изменения последовательности ДНК. Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ. В случае эпигенетического наследования происходит изменение не последовательности ДНК, а химические изменения, происходящие в определённых участках генома. Описаны следующие механизмы эпигенетического регулирования экспрессии генов: 1) метилирование ДНК (Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. У человека за процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b 2) ремоделирование хроматина (Ремоделирование хроматина — процесс перемещения нуклеосом по ДНК, приводящий к изменению плотности нуклеосом или к расположению их на определенном расстоянии друг от друга. Ремоделирование осуществляется специальными белковыми комплексами, при этом затрачивается энергия в виде АТФ.); 3) РНК-интерференция (на уровне РНК) (РНК-интерференция - процесс подавления экспрессии гена на стадии транскрипции, трансляции, деаденилирования или деградации мРНК при помощи малых молекул РНК. Процесс РНК-интерференции начинается с действия фермента Dicer, который разрезает длинные молекулы двуцепочечной РНК (dsRNA) на короткие фрагменты порядка 21—25 нуклеотидов, называемые siRNA. Одну из двух цепочек каждого фрагмента называют «направляющей», эта одноцепочечная РНК далее включается в состав РНК-белкового комплекса RISC. В результате активности RISC одноцепочечный фрагмент РНК соединяется с комплементарной последовательностью молекулы мРНК и вызывает разрезание мРНК белком Argonaute либо ингибирование трансляции и/или деаденилирование мРНК. Эти события приводят к подавлению экспрессии (сайленсингу) соответствующего гена, эффективность которого ограничена концентрациями молекул малых РНК — siRNA и микроРНК.; 4) прионизация белков (Прионные белки обладают аномальной трёхмерной структурой и способны катализировать структурное превращение гомологичных им нормальных белков в себе подобный (прионный) белок, присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои. Прионы — единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот, а также они осуществляют единственный известный путь передачи информации от белка к белку.; 5) инактивация X-хромосомы (Инактивация Х-хромосомы - процесс, в ходе которого инактивируется одна из двух копий Х-хромосом, представленных в клетках самок млекопитающих. ДНК неактивной Х-хромосомы упаковывается в транскрипционно неактивный гетерохроматин. 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. Такой процесс называется дозовой компенсацией генов. У плацентарных выбор Х-хромосомы, которая будет инактивирована, случаен. Инактивированная Х-хромосома будет оставаться неактивной во всех последующих дочерних клетках, образующихся в результате деления.) Основы системной биологии и биоинформатики Биоинформатика или вычислительная биология - один из разделов биологии, предметом которого являются молекулярные процессы, но в данном случае исследования проводятся не in vitro, а in silico, т. е. не в пробирке, а при помощи компьютеров. Под биоинформатикой понимают любое использование компьютеров и программного обеспечения для анализа биологических данных. На практике часто это понятие сужается и включает в себя только использование компьютеров для обработки экспериментальных данных по структуре биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) с целью получения биологически значимой информации. В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Исследования в области биоинформатики и системной биологии зачастую пересекаются. Основные усилия исследователей, работающих в области биоинформатики, направлены на изучение геномов, анализ и предсказание структуры белков, предсказание взаимодействий различных белков друг с другом и другими молекулами, а также реконструкция процессов эволюции. Биоинформатика помогает ученым, используя последовательности ДНК, прогнозировать структуры и возможные функции кодируемых ими белковых молекул, и таким образом, связывает геномные и протеомные проекты. Велика роль биоинформатики в процессе маркировки генов и других объектов в последовательности ДНК. Эволюционная биология исследует происхождение и появление видов, их развитие с течением времени. Методы биоинформатики активно используются биологами-эволюционистами для решения целого ряда задач: изучение эволюции большого числа организмов, включая эволюцию молекул ДНК, а не только строения или физиологии; сравнение целых геномов, что позволяет изучать такие явления, как дупликация генов, горизонтальный перенос генов и предсказывать бактериальные специализирующие факторы; построение компьютерных моделей популяций с целью предсказания поведения систем во времени. Системная биология включает в себя целый ряд существующих и перспективных направлений в биологии. Системную биологию можно определить как междисциплинарную науку о жизни, изучающую сложные взаимодействия в живых системах и использующую новый подход в биологии: холизм вместо редукционизма. Задачами системной биологии являются исследование и моделирование свойств сложных биологических систем, которые нельзя объяснить суммой составляющих ее свойств. Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. В системной биологии часто используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии, биофизике, молекулярной биологии. Биологические системы являются очень сложными объектами. Для их описания используется огромное количество параметров, переменных и уравнений, а значит, развитие современной системной биологии невозможно без использования компьютерных технологий. Метаболическая инженерия (metabolic engineering) [греч. metabole — перемена, превращение; франц. ingenier — инженер, от лат. ingenium — способность, изобретательность] — использование методов генной инженерии для запуска в трансгенном организме новых биохимических реакций, новых метаболических путей. Иногда для М.и. достаточно переноса в организм одного гена, иногда — набора генов. Напр., с помощью переноса гена стилбенсинтазы винограда в табак, получены трансгенные растения, способные осуществлять синтез мощного антиоксиданта резвератрола из содержащихся в табаке молекул малонил-СоА и 4-кумарил-СоА; перенос нескольких генов позволил получить штаммы-продуценты таких полимерных продуктов, как полигидроксиалканоаты. Клеточная инженерия (cell engineering) [франц. ingenieur — инженер, от лат. ingenium — способность, изобретательность] — комплекс методов, позволяющий конструировать клетки нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Базовым методом К.и. служит гибридизация клеток, с помощью которой соединяются геномы весьма далеких видов организмов. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом, митохондрий и др.). К.и. — один из основных подходов в современной биотехнологии; используется как для решения теоретических проблем, так и для создания новых форм организмов, обладающих полезными для практики признаками (напр., Гибридома). Метаболомика биологических объектов Что такое метаболом? Метаболом – это комплекс всех низкомолекулярных метаболитов с массой < 1500 Da, присутствующих в биологическом образце. Предполагается, что их общее число в типичной клетке находится в пределах от 1,000 до 5,000. Метаболиты, являясь промежуточными соединениями биохимических реакций, играют очень важную роль в объединении различных биохимических путей, функционирующих в живой клетке. Уровень метаболитов зависит от активности ферментов, катализирующих их превращение. В свою очередь, концентрация и свойства ферментов – это сложная функция различных регуляторных процессов, включающих регулирование транскрипции и трансляции, регуляции белок-белковых взаимодействий, и аллостерической регуляции активности ферментов путем их взаимодействия с метаболитами. Mетаболом – это биохимический фенотип организма, который является заключительным результатом взаимодействия генотипа с окружающей средой. В отличие от генома, транскриптома и протеома, метаболом непосредственно связан с биологическими функциями организма. Что такое метаболомика? Метаболомика – это технология, которая включает в себя набор аналитических и биоинформационных методов для количественного определения и идентификации низкомолекулярных метаболитов (метаболома), присутствующих в клетке, ткани или организме. Главная цель метаболомики заключается в определении изменений в биохимическом фенотипе организма, которые являются реакцией организма на его генетическую модификацию, или на любые изменения в окружающей среде. В чем особенность и важность метаболомики? Одним из приоритетных направлений биологической науки является изучение взаимосвязи генотипа и фенотипа живого организма. Однако, активное использование методов геномики, транскриптомики и протеомики показало, что эти технологии не дают всей необходимой информации, которая позволяет определить, как изменение в геноме, мРНК или белке связаны с изменением в биологической функции организма или в фенотипе. В связи с этим, для эффективного решения многих вопросов функциональной геномики, наряду с традиционными фенотипическими характеристиками организма (морфологическими и анатомическими) стали использовать анализ его биохимического фенотипа или метаболома. Информация об уровне внутриклеточных метаболитов, совместно со структурой метаболических путей, оказалась очень важной для понимания механизма регуляции метаболизма. Кроме того, в настоящее время она представляет большую ценность не только для функциональной геномики, но и для развития биохимической инженерии. Области использования метаболомики Применение метаболомики позволяет решать многие проблемы фундаментальной биологии и медицины, которые не могут быть решены с помощью других подходов. Например: сравнение метаболизма, генетически модифицированного и исходного организмов определение изменений в метаболизме биообъекта под действием какого-либо фактора окружающей среды быстрый и эффективный контроль селекционного процесса растений тщательный биохимический контроль пищевых и лекарственных растений и продуктов их переработки выявление метаболитов-маркеров, изменение содержания которых тесно связано с различными патологическими процессами у растений и животных (включая человека) и т.д |