Молекулярні механізми реалізації генетичної інформації

Генна експресія - це молекулярний механізм реалізації спадкової інформації, завдяки якому ген виявляє свій потенціал конкретною фенотипною ознакою організму.

роцес експресії гена складається з кількох етапів:

1. Код гена ДНК перетворюється в код про-іРНК. Перший етап експресії називається " транскрипцією".

2. Складна молекула про-іРНК зазнає " процесингу", внаслідок чого значно зменшується за розмірами. Утворюється зріла ІРНК, зчитування інформації з якої спрощується. Біологічний зміст процесингу - полегшення доступу до спадкової інформації.

3. Інформаційна РНК за участю тРНК вибирає необхідні амінокислоти і зв'язує їх на рибосомі відповідно до послідовності амінокислот у молекулі білка. Цей процес називається трансляцією.

4. Синтезований поліпептид зазнає модифікації і впливає на морфологічну або функціональну ознаку (фенотип) клітини або організму. Цей процес називається " експресією"

Всі етапи експресії генів відбуваються з використанням енергії під впливом десятків ферментів. Регуляція експресії генів. Генетичний апарат - це тонко регульована система. Відомо, що гени не проявляють постійної активності. Ген перебуває в неактивному стані, але коли є необхідність, він активується, а це, зокрема, зумовлює синтез відповідного білка. Таким чином, клітинам властивий механізм, що контролює кількість будь-якого ферменту в певний проміжок часу. Синтез білків регулюється генетичним апаратом і факторами внутрішнього і зовнішнього середовища.

У 1961 р. французькі біологи Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, який було названо гіпотезою оперона. Вони виявили, що додавання лактози до культури Е.сої індукує утворення відразу трьох ферментів: галактозидази, пермеази і трансацетилази, необхідних клітині для розщеплення лактози до глюкози і галактози. Гени, що кодують ці ферменти, межують один з одним у хромосомі, їх назвали структурними генами, або цистронами. Вони транскрибуються РНК-полімеразою в одну довгу і-РНК, що має кодони для всіх трьох ферментів. Інформаційна РНК, що транскрибується з декількох генів, називається поліцистронною. Функція цих цистронів контролюється ділянкою молекули ДНК, яка називається оператором. Операторний локус - це певна ділянка послідовності нуклеотидів довжиною 27 пар основ. Даний сегмент ДНК розташований між промотором, до якого перед початком транскрипції приєднується РНК-полімераза, і початком першого структурного гена (5-галактозидази. Цистрон синтезує ІРНК, якщо оператор увімкнений, і припиняє синтез, коли він вимкнений. Оператор вмикається або вимикається білком, який назвали репресором, синтезованим регуляторним геном. Репресор або зв'язується з оператором і пригнічує його активність, або не зв'язується з ним, дозволяє виявляти активність структурним генам. Таким чином, репресор є негативним регулятором. Усі названі елементи функціонування генів входять до складу оперона.Білок-репресор не є обов'язковим для функціонування оперона, але він необхідний для регуляції його роботи. Таким чином, значення гена-регулятора полягає в тому, щоб за допомогою білка-репресора керувати функціонуванням структурних генів. Отже, оперон - це послідовність спеціальних функціональних сегментів ДНК та структурних генів, які кодують синтез певної групи білків одного метаболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Регульована одиниця транскрипції складається з наступних структурних частин: 1) ген-регулятор, який контролює утворення білка-репресора; 2) промотор - ділянка ДНК, до якої приєднується РНК- полімераза і з якої розпочинається транскрипція; 3) оператор - ділянка промотора, яка може зв'язувати репресор; 4) структурні гени - ділянки ДНК, які кодують іРНК конкретних білків; 5) термінаторна ділянка ДНК, яка несе сигнал про зупинку транскрипції.Особливості експресії генів в еукаріотів. Принцип експресії та її регуляції однаковий як у прокаріотів, так і в еукаріотів. Однак останні, особливо багатоклітинні, - більш складні організми, тому експресія їх генів складніша і дещо відрізняється за деталями. Зокрема, можна відзначити наступні особливості експресії в еукаріотів:

1. Геном вищих еукаріотів значно складніший (наприклад, гаплоїдний геном людини має приблизно 40000 генів, розташованих у 23 хромосомах, а у прокаріотів є тільки одна хромосома і близько тисячі генів).

2. У клітинах еукаріотів ядерна оболонка просторово розділяє процеси транскрипції і трансляції, хромосоми знаходяться в ядрі, а рибосоми в цитоплазмі. Експресія генів в еукаріотів включає набагато більше етапів. Тому в них є такі механізми регуляції, які відсутні в клітинах прокаріотів, наприклад, процесинг.

3. На експресію еукаріотичних генів впливає ампліфікація генів - багатократне збільшення числа копій однакових генів з метою інтенсифікації синтезу молекул, необхідних на певний момент часу (наприклад, послідовності ДНК, що повторюються, забезпечують сотні копій генів рРНК і тРНК).

4. У представників еукаріотів не встановлено повної оперонної організації генетичного матеріалу. Гени ферментів певного метаболічного ланцюга можуть бути розташовані в різних хромосомах. Вони зазвичай не мають системи регуляції у вигляді гена-регулятора, оператора і промотора, тому синтезовані в ядрах еукаріотів іРНК моноцистронні. Регуляція активності генів в еукаріотів складніша. В цьому процесі беруть участь відразу декілька генів-регуляторів, тобто регуляція транскрипції еукаріотів є комбінативною.

5. Ще одна особливість геному еукаріотів - наявність спеціальних " підсилювальних" сегментів ДНК - енхансерів. Вони можуть розташовуватися на великій відстані від промотора. їх функція - участь в регуляції активності структурних генів. Препромо- торний елемент і енхансер регулюються відповідними регуляторними білками. Деякі білки-регулятори виконують координуючий вплив на активність багатьох генів, тобто вони мають плейотропну дію.

6. Геном еукаріотів зазнає регуляторного впливу з боку ендокринної системи організму. Багато гормонів є індукторами транскрипції. Зокрема, це стосується стероїдних гормонів, які зворотно зв'язуються з білками-рецепторами, що переносять їх у ядро. Такий комплекс зв'язується зі специфічною ділянкою хроматину, відповідальною за регуляцію генів (наприклад, тестостерон активізує гени, що визначають розвиток організму за чоловічим типом).

7. Відомо, що регуляція активності генів еукаріотів пов'язана з утворенням комплексу ДНК з білками хроматину. У такому вигляді гени нуклеосом не здатні до транскрипції. Тому необхідною умовою є часткова декомпактизація хроматину й ослаблення зв'язків з гістоновими білками. Однак повна нуклеосомна організація хроматину в процесі транскрипції не втрачається.

8. Контроль експресії генів в еукаріотів здійснюється також на стадії трансляції (наприклад, шляхом впливу на фактор ініціації трансляції. Тому, навіть за наявності в цитоплазмі іРНК, синтезу на ній може не відбуватися).

9. Деякі гени еукаріотів декілька раз повторюються, а певні ділянки ДНК взагалі не відіграють генетичної ролі, наприклад, сателітна ДНК. Геном еукаріотів " надлишковий". Унікальні властивості геному еукаріотів у різних видів складають 15-98 %. У людини унікальні послідовності нуклеотидів складають 56 %. Крім цього, у геномах еукаріотів містяться послідовності, що повторюються кілька десятків, сотень і навіть мільйонів раз. Вони знаходяться серед унікальної ДНК. До таких послідовностей належать елементи з непостійною локалізацією. їх називають транспозонами, або мобільними елементами. Гени, що повторюються, виконують різноманітну біологічну роль: регуляції відтворення ДНК, участь у кросинговері, позначення межі між екзонами й інтронами тощо. Унікальна ДНК входить до складу структурних генів, але більше половини її не буває активною.

10. Регуляція експресії генів еукаріотів може здійснюватися на стадії посттрансляційних змін (наприклад, для утворення активної форми білкового гормону інсуліну, із молекули проінсуліну вирізаються два ланцюжки, що згодом зшиваються дисульфідними зв'язками).

16.Трансляція, процесінг, сплайсинг

Основою експресії генів є молекулярні процеси транскрипції, процесингу, трансляції і модифікації.

У процесі транскрипції бере участь не тільки інформативна частина гена, але й інші регуляторні і структурні ділянки. Про-іРНК містить багато елементів, які характерні для ДНК. Процесинг істотно модифікує про-іРНК, яка перетворюється на ІРНК і містить значно менше структурно-функціональних елементів. Внаслідок трансляції на основі ІРНК утворюються молекули цілком іншої природи - білки, що не мають нічого спільного з нуклеїновими кислотами, мають інші властивості та організацію. Модифікація поліпептиду призводить ще до одного природного явища - появи складної просторової організації молекули білка. Відбувається перехід лінійної інформації ДНК і РНК у просторову організацію протеїну, що, зокрема, є складовою специфічної просторової взаємодії молекул у живому організмі, яка є основою життя.

17.Трансляція: ініціація, елонгація, термінація
Процес синтезу білків (трансляція), як реплікація і транскрипція, умовно поділяється на три етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.

1. Ініціація. Розпочинається з активації амінокислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Так формується АК- АМФ-комплекс. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент.Амінокислота +АТФ + фермент → Амінокислота-АМФ-ферментативний комплекс +Р~Р.Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (аміноацил-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 активувати наступну молекулу амінокислоти.

Ланцюг іРНК з'єднується з малою рибосомальною субодиницею за допомогою спеціального триплету. Це забезпечується шляхом утворення водневих зв'язків між комплементарними парами відповідних 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. Згодом до малої субодиниці ІРНК приєднується велика субодиниця, створюючи активну рибосому, що має сформовані аміноацильну (А) і пептидильну (П) ділянки.а) мала субодиниця рибосоми + ІРНК + тРНК- метіонін → комплекс ініціації; б) комплекс ініціації + велика субодиниця рибосоми → активна рибосома.

Процеси ініціації вимагають присутності специфічних факторів ініціації, що мають білкову природу та володіють регуляторною активністю.

2. Елонгація (подовження поліпептидного ланцюга). Друга, навантажена, наприклад, проліном, тРНК з'єднується з рибосомою на ділянці А. ЇЇ антикодон зв'язується з комплементарним кодоном ланцюга іРНК. На ділянці П метіонін звільняється від своєї тРНК і з'єднується пептидним зв'язком з проліном. Процес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв'язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається і -СООН група першої амінокислоти утворює пептидний зв'язок з вільною -NH2 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. Тут вона може знову зв'язуватися зі своєю амінокислотою.тРНК-дипептидний комплекс разом з ІРНК переміщається в напрямку П-ділянки рибосоми. Цей процес називається транслокацією (від лат. translocatio - переміщення).Третя молекула тРНК зі специфічною їй амінокислотою, наприклад, аргініном, надходить до А-ділянки рибосоми і приєднується своїм антикодоном до комплементарного кодону іРНК. Дипептид метіонін-пролін знову приєднує амінокислоту аргінін за допомогою ферменту пептидилтрансферази. Таким чином, дипептид збільшується до трипептиду. Друга тРНК звільняється, залишає ланцюг іРНК, вивільняючи П-ділянку. 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 повторюється. В міру просування іРНК щодо рибосоми всі її кодони переміщаються по А-ділянці один за одним і пептидний ланцюг зростає. У процесі елонгації беруть участь спеціальні білкові фактори, що регулюють ці процеси.Синтез пептидного ланцюга відбувається з досить великою швидкістю, що залежить від температури і факторів внутрішнього і зовнішнього середовища. У середньому в еукаріотів ця швидкість складає близько 2 амінокислоти за 1 с. У прокаріотів швидкість вища - близько 15 амінокислот за секунду.Рибосома рухається щодо іРНК тільки в одному напрямку, переміщуючись на один триплет від 5'-кінця до 3'-кінця іРНК. Синтез білкової молекули (об'єднання амінокислот) відбувається у великій субодиниці, де навпроти одного триплету розташований аміноацильний центр (від'єднання АК від тРНК), а іншого - пептидильна ділянка (приєднання АК до пептиду, що зростає).Амінокислоти зв'язуються в поліпептид у тій послідовності, що повідомляється їм за допомогою іРНК.

3. Термінація (закінчення синтезу та вивільнення 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 карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. Зв'язок між останньою тРНК і поліпептидним ланцюгом розривається спеціальними ферментами - факторами вивільнення. Рибосома відокремлюється від ланцюга іРНК і розпадається на дві субодиниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрапляє в цитоплазму. Кожна молекула ІРНК транскрибується 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, диференціювання, росту й розвитку, забезпечує особливості метаболізму 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 поліпептид - це прямолінійна молекула, що не має метаболічної активності. Синтезовані з амінокислот поліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ендоплазматичну сітку або комплекс Гольджі, де завершується формування білкової молекули. У процесі " дозрівання" вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту екзопептидази, а згодом утворювати вторинну і третинну структури. Молекули можуть об'єднуватися з іншими поліпептидами для утворення четвертинної структури складних білків. Синтезовані молекули об'єднуються з вуглеводними або ліпідними молекулами, вбудовуються в біомембрани або інші комплекси клітини.

Процеси зміни початкової структури поліпептиду та формування нової називаються посттрансляційною модифікацією. Внаслідок цього білки набувають специфічних властивостей і функціональної активності.