Содержание 14. А
 Скачать 3.72 Mb.
|
Подумаем…Теперь попробуем осмыслить процесс считывания информации с ДНК и вставить недостающие звенья. Наиболее четко процесс считывания информации прослеживается в эукариотическтх клетках. Но, сначала некоторые общие моменты… Клетка не может с нуля создать самое себя. Сложность воспроизводства всей системы настолько сложна, что повторить её силами клетки невозможно. Её можно только копировать, воспроизводя то, что уже накоплено. По частям, постепенно создавая копию. Даже не копию, а часть копии. Полностью копируется только информация хромосом клетки. И центр копирования – ядро. Остальное только частично копируется и доводится до работоспособности. И только время жизни ядра определяет жизненный цикл клетки. Возраст клетки определяет состояние её логического центра управления. Всё остальное ремонтируется. Вот тут заметим, что новая клетка образуется из части старой клетки, деля внутреннее пространство материнской клетки на свою сферу управления и старую, воспроизводящую. Сначала функционально, а потом и фактически. И понятно, почему. Команды управления – химические. Канал передачи информации – внутриклеточная жидкость. Я бы отметил максимальность в режимах всех клеточных процессов. Она заложена изначально. Потому, что это - целевая задача клетки. Она не может ограничиваться. Но, постоянное наращивание мощности всех производственных потоков постепенно приводит к перегрузкам в работе центра управления - ядра. В какой-то момент оно уже не справляется с нагрузкой…, надо усиливать каналы управления, а программа их усиления только одна – копирование. И начинает создаваться дублирующий центр управления. Пока, как вспомогательный. По мере строительства новый центр осваивает и дублирует все каналы управления. Когда вновь создаваемый управляющий центр клетки начинает работать самостоятельно и вмешиваться в работу оригинала, то возникает перекрытие зон управления. Но, постепенно каждое ядро формирует свою зону управляемости, комплектует свой необходимый набор составляющих полного автономного цикла, не обращая внимания на то, свой это объект или нет. И возникает конкуренция центров управления. В этой ситуации надо делить сферы управляемости не только по функциональному набору, но и фактически…, потому, что канал передачи информации общий – внутриклеточная жидкость. Возникает необходимость ставить перегородки, чтобы отделить свою область управления. Это делают оба центра управления. И, таким образом заканчивают деление клетки на два пространства управления. Вот теперь начинается осмотр доставшегося при дележе имущества. Комплектность проверялась чуть раньше, на стадии раздела сфер управляемости, теперь проводится только ревизия доставшегося. Чего и сколько не хватает для полноценной деятельности. Центры управления обеих половинок снова работают в полную силу, доводя производственные линии всех процессов клетки до максимальной мощности. Этот процесс бесконечен… Но, вернемся к процессу считывания информации. И снова вопросы… Как идет обмен информацией внутри клетки? Химическими соединениями. Других вариантов вроде нет. Что это за соединения такие? Ферменты, гормоны, блокаторы, активаторы, разные РНК,… примерно это. Где производятся химические команды? Их производят рибосомы. В ядрышке на основе имеющейся там РНК, в ядре на той же основе ядерной РНК. Эти команды поступают во внутриклеточную жидкость и доходят до адресата. Там принимаются, пусть пока теми же рибосомами. И рибосомы, например, уже в цитоплазме начинают их исполнять. Производить белок, считывать информацию с мРНК … и т.д. Процесс управления тут как-то понятен. Обратная связь работает по тому же принципу. Ответы центру управления формируют снова рибосомы. Примерно такими же химическими соединениями, но их принять и понять может только центр управления – ядрышко. Конечно, видов обратной связи в клеточных процессах много и разных, но нас пока интересует только этот. От ядрышка к ядерным рибосомам, от ядерных рибосом к рибосомам в цитоплазме и обратно к ядерным рибосомам и ядрышку. Эти каналы химической связи контролируют копирование ДНК, создание РНК-предшественника и стандарной мРНК, производство белков, а так же и цикличность деления клетки. И на всех значимых контрольных пунктах работают рибосомы – логические машины клетки. Их много и они разные. Каждая четко оринтирована на выполнение и контроль только своей задачи. Она работает на основе поступающих команд, определяет скорость и условия выполнения работы, создает отчеты о выполнении и ответные команды управления к центру. Уникальная машина. Единственный автомат в клетке, который в состоянии воспроизвести самое себя. С нуля. Рибосомы в клетке производят всё: РНК, мРНК, тРНК, рРНК, белки, самих себя, команды управления…. Все первичные функции воспроизводства отданы рибосомам. От информации до строительных материалов. Эволюция клетки определяется эволюцией рибосом. И с этой стороны ядрышко ядра клетки вполне может оказаться или конгломератом рибосом или одной большой рибосомой с набором уникальных функций. А в основе работы этого уникального автомата лежит считывание информации с РНК. РНК – это, сначала, всё же, программа, записанная на стандартном носителе в стандартных единицах системы. А потом уже транспортное средство и остальные её применения. Внутри каждой рибосомы такая программа есть - рРНК. Вот она и определяет все процессы. Внутри рибосомы проиходит то же самое, что и снаружи. Чтение РНК. С одной разницей: внутреннее чтение имеет целью управления внутренними процессами и контролем за выполнением внешних. Скорее всего, многообразие выполняемых рибосомами функций и обеспечивается соответствующим набором необходимых рРНК. Какая рРНК вложена в рибосому, такая программа и начинает выполняться этой, похоже, вполне стандартизованной машиной. Правда, как это происходит, видимо, пока не знает никто… Пример устройства и организации рибосомы…, с этим сейчас уже трудно, это из прошлого нашей вычислительной техники. Когда исходная и конечная информация еще находились на перфолентах, длинных узких бумажных лентах с пробитыми отверстиями в нужных местах. Представим себе такую программируемую машину. Одна такая перфолента (рРНК), внутри машины. На ленте записана программа действий. Начало и конец рабочих тактов считывания части информации с неё задается внешними сигналами на соответствующие входы. Пришел стартовый сигнал – лента начала двигаться и с неё считывается программа. И исполняется. Пришел сигнал СТОП – лента остановилась. Машина ждет дальнейших команд. Снова пришел стартовый сигнал – работа возобновилась … и снова СТОП… Но, разных управляющих входов в такой считывающей машине много, и работа, даже по простой последовательной программе, может очень сильно меняться в зависимости от этого внешнего управления. Хорошо, машина работает по программе, а что же она делает? Она выполняет копирование еще одной перфоленты, внешней, вложенной во внешнее считывающее устройство. Исходный оригинал – перфолента (мРНК), а вот какую копию мы получим на выходе, зависит от внутренней программы (рРНК). В одном случае такую же перфоленту (мРНК или рРНК), в другом - сборную строительную конструкцию (белок), в третьем – транспортное средство (тРНК)…. В зависимости от состояния разных входных сигналов работа синхронизируется с другими устройствами, возникает разнообразие конструкций и размеров, и т.д. Но, в общем случае, машина выполняет одну и ту же работу – копирует исходный оригинал, только вот результат во всех случаях – разный. Такая вот универсальная машина – рибосома. Теперь коснемся самой информации. Информация ДНК и РНК – противоположности. Абсолютные. Потому, что получаются они контактным копированием. Как позитив и негатив. И чтобы получить полную копию информации ДНК, необходимо процесс копирования повторить дважды. Позитив – негатив - позитив. Таблицы соответствия аминокислот тем или иным триплетам ДНК и РНК [1,2] убеждают нас, что триплеты почти идентичны (Т меняется U). Каким образом они получились такими, видимо, специалистам понятно, а вот нам дилетантам – не очень. Так как, при контактном копировании между ДНК и мРНК должна существовать еще одна, промежуточная копия РНК - негативная, по отношению к этим. Но, как мы видели, в описании процессов считывания [1,2], об этом нет ни слова. И триплеты соответствия на тРНК должны быть негативны по отношению триплетов считывания на мРНК, т.е. иметь противоположный код. Этот момент учтен [2,3], но не введен, как правило копирования. Если эти мелочи выкинуты из учебников для создания простоты понимания, то хотя бы одной строкой в научных работах они должны присутствовать и учитываться при описании процессов считывания информации ДНК и формирования её копии. В работе [9] уже указывалось на невозможность использования только неперекрываемого триплетного кода при считывании информации с ДНК и мРНК. Нет четкой фиксации триплетов. Неперекрываемый код возможен только для высокоразвитых рибосом с двойным контролем считывания, как частный случай, и никак не может быть всеобщим. Но генетикам видимо не до этого… 73.Экспресся генетической информации у эукариот. Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков. Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме. программируемый геномом процесс биосинтеза белков и(или) РНК. При синтезе белков Э. г. включает транскрипцию - синтез РНК с участием фермента РНК-полимеразы; трансляцию - синтез белка на матричной рибонуклеиновой кислоте, осуществляемый в рибосомах, и (часто) посттрансляционную модификацию белков. Биосинтез РНК включает транскрипцию РНК на матрице ДНК, созревание и сплайсинг. Э. г. определяется регуляторными последовательностями ДНК; регуляция осуществляется на всех стадиях процесса. Уровень Э. г. (кол-во синтезируемого белка или РНК) строго регулируется. Для одних генов допустимы вариации, иногда в значит. пределах, в то время как для других генов даже небольшие изменения кол-ва продукта в клетке запрещены. Нек-рые заболевания сопровождаются повышенным уровнем Э. г. в клетках пораженных тканей, напр. определенных белков, в т. ч. онкогенов при онкологич. заболеваниях, антител при аутоиммунных заболеваниях. Различают Э. г.: 1) конститутивную - происходящую в клетке независимо от внешних обстоятельств. Сюда относят экспрессию генов, определяющих синтез макромолекул, необходимых для жизнедеятельности всех клеток, и спец. генов (тканеспецифичная Э. г.), характерных для конкретного вида клеток. 2) Индуцибельная Э. г. определяется действием к.-л. агентов - индукторов. Ими м. б. гормоны, ростовые в-ва и в-ва, определяющие дифференцировку клеток (напр., ретиноевая к-та). Индукция может происходить на определенной стадии развития организма, в определенной ткани; время и место индукции регулируются геномом. Как правило, изменения в Э. г. носят необратимый характер, по крайней мере в нормальных клетках. У раковых и трансформированных клеток эта закономерность может нарушаться. В роли индукторов м. б. также и факторы внешней среды, напр. изменение т-ры, питательные в-ва. После прекращения действия индуктора первоначальная картина Э. г. восстанавливается (временная Э. г.). Большое значение Э. г. имеет в оптимизации синтеза белков методами генетич. инженерии. В качестве продуцента используют бактерии, дрожжи, растительные и животные клетки и даже живые организмы, такие организмы называют трансгенными. Искусственные гены конструируются таким образом, чтобы получить макс. кол-во желаемого продукта с миним. затратами, другими словами, чтобы достичь максимально высокого уровня экспрессии активного белка. Для сильной экспрессии в искусств, гене используют "сильные" регуляторные последовательности генов, обеспечивающие наибольшую продукцию белка. Часто эти последовательности ДНК имеют вирусное происхождение. Описаны случаи экспрессии целевого продукта в бактериях до уровня 50% от всего клеточного белка, Как правило, суперэкспрессирован-ные белки нерастворимы и секретируются в периплазматич. пространство бактерии. Особую сложность представляет получение белков, токсичных для клетки. В таких случаях используют строго индуцибельные системы (напр., РНК-по-лимеразу фага Т7 и ген с промотором для нее) или системы, позволяющие быстро выводить продукт наружу (секретирую-щие системы). Тем не менее, достичь высокой продукции нек-рых белков все же не удается. наиб. дорогим является получение белков в животных клетках. 74.Экспресся генетической информации у прокариот. Изучение регуляции генной активности у прокариот привело французских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961) оперонной модели регуляции транскрипции. Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в метаболизме какого-либо вещества или в синтезе какого-то компонента клетки. Оперонная модель регуляции экспрессии генов предполагает наличие единой системы регуляции у таких объединенных в один оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор. Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды. Примером участия генетических и негенетических факторов в регуляции экспрессии генов у прокариот может служить функционирование лактозного оперона у кишечной палочки Е. colt (рис. 3.86). При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, А. Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе. 75.Регуляция экспрессии генов у эукариот (на уровне транскрипции, процессинга и посттранскрипционном уровне). Переключение генов лучше всего изучено у прокариот (бактерий). Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки (Escherichiacoli) – классического объекта генетики микроорганизмов. Единицей регуляции экспрессии генов у прокариот является оперон. Оперон – это участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов и более.) Промотор – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК. В лактозном опероне присоединение РНК-полимеразы происходит с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – это специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором, цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты). Оператор – это регуляторный участок ДНК, который способен присоединять белок-репрессор, который кодируется соответствующим геном lac. Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК. Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z (β-галактозидазу), Y(галактозидпермеазу), А (тиогалактозидтрансацетилазу). Терминатор – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы. Для регуляции работы оперона необходим ген cya, кодирующий белок CYA, который катализирует образование цАМФ из АТФ, Если в клетке имеется глюкоза, то белок CYA вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Следовательно, глюкоза является репрессором лактозного оперона. Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком-репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок-репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Таким образом, лактоза является индуктором лактозного оперона. Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок-репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены. При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок-репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены. Если же в клетке имеется только лактоза, то белок-репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок CYA катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует мРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы. Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы). |