Биосинтез белка. Регуляция биосинтеза белка. Геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика.
Генетический код, его свойства. Репликация. Транскрипция. Рекогниция. Транскрипция: инициация, элонгация, терминация. Строение рибосом и их значение в биосинтезе белка. Регуляция биосинтеза белка: гистонами, через оперон, гормональная регуляция Возрастные и тканевые особенности биосинтеза белка Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет или кодон). Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. Неперекрываемость — один и тот же гуклеотида не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте.
Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности. Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными ; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными
G 2 -фаза Подготовка к митозу G 1 -фаза Синтез РНК и белков, рост клетки G 0 -фаза Клетки не делятся S -фаза Репликация ДНК; Синтез гистонов; Образование центросомы; Удвоение хромосом
Реплика́ция ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы ДНК, идущий во время синтетической (S) фазы жизненного цикла клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и в процессе последующего деления делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков.
Инициация (образование репликативной вилки) Элонгация (синтез новых цепей) Исключение праймеров Терминация (завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК).
Транскрипция - осуществляющийся в живых клетках биосинтез РНК на матрице - ДНК. Транскрипция - фундаментальный биологический процесс, первый этап реализации генетической информации, записанной в ДНК в виде линейной последовательности 4 типов мономерных звеньев – нуклеотидов.
Информационные, или матричные, РНК, выполняющие роль матриц при синтезе белка рибосомами (трансляция) Рибосомальные РНК, являющиеся структурными компонентами рибосом Транспортные РНК, являющиеся основными элементами, осуществляющими при синтезе белка перекодирование информации, заключённой в информационной РНК, с языка нуклеотидов на язык аминокислот РНК, играющие роль затравки репликации ДНК. Число копий разных участков ДНК зависит от потребности клеток в соответственных белках и может меняться в зависимости от условий среды или в ходе развития организма
Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами.
Транскрипция начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК ( промоторах ) и завершается в терминирующих участках ( сайты терминации ). Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон. Транскрипционные факторы - белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами и ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции.
Трансляция - осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК.
Рекогниция – процесс узнавания тРНК своей АК, происходящий при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтетазы
Аминокислоты 2) т-РНК 3) м-РНК 4) Аминоацил-тРНК синтетазы 5) Рибосомы 6) Белковые факторы 7) АТФ и ГТФ как источники энергии На включение одной аминокислоты используется 6 макроэргических связей: 2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНК синтетазой АТФ гидролизуется до АМФ и пирофосфата) 2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аа-тРНК в А-центре рибосомы, вторая затрачивается на стадию транслокации АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи
Инициация. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц. Элонгация 1) Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено). 2) Присоединение аминокислоты, принесённой тРНК, к концу растущей полипептидной цепи. 3) Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК. 4) Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-синтетазой. 5) Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии (2). 6) Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона (в данном случае UAG). Терминация. Узнавание рибосомой стоп-кодона и отсоединение новосинтезированного белка, диссоциация рибосомы.
Рибосома — немембранный органоид живой клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром 100—200 ангстрем, состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Рибосомы представляют собой нуклеопротеиды, в составе которых отношение РНК/белок составляет 1:1 у высших животных.
изменением количества структурных генов; перестройкой генов в хромосомах; эффективностью транскрипции разных участков генома; характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов; на уровне трансляции; с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.
Синтез белка регулируется внешними и внутренними условиями, которые диктуют клетке синтез такого количества белка и таких белков, которые необходимы для выполнения физиологических функций. В ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов (часто менее 1% ) доступно для транскрипции. Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и недоступна для транскрипции, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина
пространственной укладкой ДНК, при которой гетерохроматин находится в высококонденсированном состоянии; метилированием дезоксицитидина ДНК-метилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК. Эта модификация сильно меняет конформацию хроматина и препятствует активной транскрипции; связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, которые также снижают транскрипционную активность ДНК.
Метилирование контролирует все генетические процессы, в том числе, транскрипцию, репликацию, рекомбинацию, транспозицию генов, репарацию, инактивацию Х-хромосомы (половая дифференцировка).
Основной класс нуклеопротеидов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Типы гистонов — H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Последовательность аминокислот в этих белках практически не различается в организмах различного уровня организации. Гистоны — небольшие, сильно основные белки, связывающиеся непосредственно с ДНК, принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре.
Сущность теории «выключение» или «включение» генов как функционирующих единиц, возможность или невозможность проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию для синтеза специфических белков. В биосинтезе белка у бактерий участвуют 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор, ген-оператор.
Опероны - участки молекулы ДНК, которые содержат информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных белков, и регуляторную зону, контролирующую транскрипцию этих генов. Промотор - участок ДНК, являющийся точкой инициации для синтеза мРНК. Оператор - белок-репрессор, который синтезируется в клетке с постоянной скоростью и имеет сродство к операторному участку. Репрессор – белок, связывающийся с геном-оператором, подавляющий синтез мРНК. Индуктор – вещество, связывающееся с репрессором и снимающий подавление синтеза мРНК. Ген-регулятор – ген, вырабатывающий репрессор.
Регуляция синтеза белка путем индукции. ГР - ген-регулятор; П - промотор; ГО - ген-оператор
Полимера́зная цепна́я реа́кция ( ПЦР ) — экспериментальный метод молекулярной биологии, позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций определённых фрагментов нуклеиновой кислоты в биологическом материале (пробе). Метод основан на многократном избирательном копировании определённого участка ДНК при помощи ферментов в искусственных условиях ( in vitro ). При этом происходит копирование только того участка, который удовлетворяет заданным условиям, и только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце.
Денатурация при 95 С (разрушение водородных связей между двумя цепями ДНК). Отжигом при 90 С (присоединение праймеров) Элонгация при 70 С (синтез ДНК)
Персонализованная медицина Криминалистика Установление отцовства Медицинская диагностика Клонирование генов Применение ПЦР
Геномика – идентификация всех генов человека и нарушений в них, приводящих либо к наследственным заболеваниям, либо к предрасположенности к ним. Разделы геномики : структурная геномика – содержание и организация геномной информации; функциональная геномика – реализация информации, записанной в геноме, от гена – к признаку; сравнительная геномика – сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов
Цели геномики - получение информации обо всех потенциальных свойствах организмов, которые не реализуются на данный момент. Главная задача функциональной геномики - выяснение биологических функций генных продуктов (РНК и белков). Функциональная геномика стремится сначала предсказать функцию тех или иных биополимеров с помощью компьютерного анализа, и только затем переходит к экспериментальной проверке в пробирке предсказанной функции
Протеомика Протеомика – наука, занимающаяся изучением совокупности белков и их взаимодействий в живых организмах ( протеом – совокупность всех белков организма).
Инструменты протеомики
Транскриптомика – идентификация всех матричных РНК, кодирующих белки, определение количества каждой индивидуальной мРНК, определение закономерностей экспрессии всех генов, кодирующих белки.
Метаболомика – идентификация и количественное определение всех метаболитов, синтезируемых (или находящихся) в данных клетках, тканях, органах и в биологических жидкостях.
Биоинформатика – использование вычислительной техники, математики и информационной теории для анализа и моделирования молекулярно-биологических систем, в особенности систем, состоящих из генов, РНК, белков и метаболитов и др. Создание баз данных.
