Репликация (репарация) Транскрипция Трансляция
Схема реализации генетической информации в фенотипические признаки
Транскрипция (биосинтез РНК) 3 Транскрипция – общие представления РНК-полимеразы Этапы транскрипции Регуляция транскрипции Процессинг первичных транскриптов РНК
■ Транскрипция – биосинтез РНК на матрице ДНК ■ Транскрипция – начальная стадия реализации генетической информации в клетке ■ Основой транскрипции является фундаментальный принцип комплементарности азотистых оснований полинуклеотидных цепей ДНК и РНК ■ В процессе транскрипции синтезируются мРНК, тРНК, рРНК и другие виды РНК, выполняющие структурные, регуляторные и каталитические функции ■ Процесс транскрипции осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами
Синтез молекул РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации). Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции — транскриптон. У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит один ген, у прокариотов несколько. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотилов, с которыми взаимодействуют регуляторные транскрипционные факторы.
■ Единица транскрипции – транскриптон ■ Транскриптоны бактерий называют оперонами ■ В транскриптоне присутствует последовательность, которая называется промотором (зона начала транскрипции) и терминатором (зона остановки транскрипции) ■ У прокариот один фермент синтезирует все виды РНК, у эукариот разные виды РНК синтезируются различными РНК-полимеразами
Транскрибируется только одна из комплементарных цепей ДНК, а именно матричная цепь. Другая цепь ДНК называется кодирующей цепью (смысловой), поскольку ее последовательность идентична последовательности РНК. Нематричная (кодирующая) цепь: TACGGATA Матричная цепь: ATGCCTAT РНК, которая синтезируется на основе этого участка: UACGGAUA
Состоит из 5 субъединиц: 2 αββ΄δ Коровый фермент: 2 αββ΄δ ( α – каждая по 40 кДа), ( β – 155 кДа), ( β ΄ – 160 кДа) Холофермент: 2 αββ΄δω ( δ – 70 кДа), ( ω – ?) 480 кДа Бактериальная РНК-полимераза
Бактериальная РНК-полимераза
Эукариотические РНК-полимеразы
Фрагмент структуры РНК-полимеразы II C пираль ДНК ( синяя ), растущая цепь РНК ( красная ), ион металла в активном центре в виде фиолетовой сферы и «мостиковая» a-спираль ( зеленая ).
Общая схема транскрипционного цикла
Активация промотора происходит с помощью большого белка — ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора - ТАТААА- (ТАТА-бокс). Инициация
Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Факторы инициации вызывают изменение конформации РНК-полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка, в которой матрица доступна для инициации синтеза цепи РНК. После того как синтезирован олигонуклеотид из 8-10 нуклеотидных остатков, сигма-субъединица отделяется от РНК-полимеразы, а вместо неё к молекуле фермента присоединяются несколько факторов элонгации.
Инициация
Комплекс инициации транскрипции у эукариот В составе комплекса приведены общие факторы транскрип- ции (TFIIB, E, F, H и TBP), РНК-полимера- за II, медиатор и спе- цифический фактор транскрипции, связан- ный с энхансером.
Факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. Синтез молекулы РНК идёт от 5'- к 3'-концу комплементарно матричной цепи ДНК. На стадии элонгации, в области транскрипционной вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3'- к 5'-концу впереди неё происходит расхождение, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Элонгация
Элонгация
ЭЛОНГАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС
Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в строго определённых участках матрицы — терминаторах (сайты терминации). Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы σ. Терминация
ТЕРМИНАЦИЯ
Стадии транскрипции. 1 - присоединение ТАТА-фактора к промотору. Чтобы промотор был узнан РНК-полимеразой. необходимо образование транскрипционного комплекса TATA -фактор/ТАТА-бокс {промотор}. TATA -фактор остаётся связанным с TATA -боксом во время транскрипции, это облегчает использование промотора многими молекулами РНК-полимеразы; 2 - образование транскрипционной вилки; 3- элонгация; 4 - терминация.
Первичные транскрипты мРНК, прежде чем будут использованы в ходе синтеза белка (у эукариот), подвергаются ряду ковалентных модификаций. Эти модификации необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы. КОВАЛЕНТНАЯ МОДИФИКАЦИЯ (ПРОЦЕССИИГ) МАТРИЧНОЙ РНК
Регуляция экспрессии генов путем индукции
Регуляция экспрессии генов путем репрессии
Регуляция экспрессии гена у эукариот
Альтернативный сплайсинг гена кальцитонина. В клетках щитовидной железы сплайсинг первичного транскрипта приводит к образованию кальцитониновой мРНК, включающей 4 экзона и полиА-поспедоватепьность, которая образуется после расщепления транскрипта в первом участке сигнала полиаденилирования. В клетках мозга образуется мРНК, содержащая: экзоны 1, 2, 3, 5., 6 и полиА-последоватепьность, образованную после второго сигнала попиаденипирования.
Процессинг первичных транскриптов РНК Образование зрелой, функционально активной молекулы тРНК. Модификация 3 ´ -ОН кон- ца и присоединение ССА- триплета. Удаление из антикодоновой ветви интронной последова- тельности с помощью эндо- нуклеазы и лигазы.
Процессных npe -тРНК. Определённые азотистые основания нуклеотидов тРНК в ходе процессинга метилируются под действием РНК-метилазы и превращаются, например, в 7-метипгуанозин и 2-метилгуанозин (минорные основания), В молекуле тРНК содержатся и другие необычные основания — псеадоуридин. дигидроуридин, которые также модифицируются во время процессинга.
Процессных npe -тРНК. Определённые азотистые основания нуклеотидов тРНК в ходе процессинга метилируются под действием РНК-метилазы и превращаются, например, в 7-метипгуанозин и 2-метилгуанозин (минорные основания), В молекуле тРНК содержатся и другие необычные основания — псеадоуридин, дигидроуридин, которые также модифицируются во время процессинга.
Трансляция (биосинтез белка) 36 Трансляция – общие представления Генетический код Активация и транспорт аминокислот в рибосомы Белоксинтезирующая система Этапы трансляции Регуляция транскрипции Посттрансляционный процессинг
■ Трансляция – это процесс декодиролвания мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) в последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи. ■ Правила, которым следует трансляция, называется генетическим кодом. ■ Трансляция осуществляется на рибосомах. ■ Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5 ´→ 3 ´, как и в процессе репликации и транскрипции.
■ Трансляция осуществляется в несколько стадий: 1) активация аминокислот; 2) аминоацилирование тРНК; 3) собственно трансляция; 4) посттрансляционная модификация (процессинг) полипептидной цепи. ■ Для синтеза белка необходимы: 1) информация о структуре синтезируемого белка (мРНК); 2) рибосомы; 3) тРНК; 4) 20 аминокислот; 5) ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы; 6) белковые факторы трансляции; 7) АТР и GTP, ионы M g2+.
Свойства генетического кода ■ Код триплетен ■ Код не перекрывается ■ Код вырожден ■ Рамка считывания задает положение первого основания кодона мРНК (гена) ■ Код универсален
Код ДНК. Свойства кода Триплетность. Каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов – кодоном. Однозначность. Кодовый триплет, кодон, соответствует только одной аминокислоте. Вырожденность (избыточность). Одну аминокислоту могут кодировать несколько (до шести) кодонов.
Универсальность. Генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли. Неперекрываемость. Последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов. (Жил был кот тих был сер мил мне тот кот); Наличие кодона- инициатора и кодонов-терминаторов. Из 64 кодовых триплетов 61 кодон — кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 — бессмысленные, не кодируют аминокислоты, терминирующие синтез полипептида при работе рибосомы (УАА, УГА, УАГ). Кроме того, есть кодон — инициатор (метиониновый), с которого начинается синтез любого полипептида. Код ДНК. Свойства кода
Аминоацил-тРНК-синтетаза Mg 2+ 1. АК + АТР → АК ~ АМР + Н 4 Р 2 О 7 Mg 2+ 2. АК~ АМР + тРНК → АК~ тРНК + АМР
Структура аминоацил-тРНК
Строение аминоацил-тРНК-синтетаз: а – класс 1; б – класс 2 Активация и транспорт аминокислот в рибосомы а б
Активация и транспорт аминокислот в рибосомы
Белоксинтезирующая система 50 S и 30 S субчастицы рибосомы
РНК-связывающие участки рибосомы А – аминоацил-тРНК- связывающий участок; Р – пептидил-тРНК- связывающий участок; Е – участок выхода тРНК
Общая схема биосинтеза белков в клетке
Общая схема трансляции
Инициация трансляции у прокариот
70 S рибосома
Элонгация трансляции у прокариот
Регуляция железом трансляции мРНК ферритина и стабильности мРНК рецептора трансферрина
Роль шаперонов в фолдинге полипептидной цепи
пептидил-т-РНК аминоацил-т-РНК АК 1 АК 2 АК 3 АК 4 АК 1 АК 2 АК 3 АК 4 молекула РНК, отделившаяся от полипептидной цепи Удлинение полипептидной цепи
Модификация N -конца полипептидной цепи Фолдинг (формирование пространственной структуры) Химическая модификация (гидроксилирование, гликозилирование и др.) Присоединение простетических групп (у гетеропротеинов) Объединение протомеров при образовании олигомерных белков Присоединение сигнальных пептидов для выхода белка из клетки Посттрансляционный процессинг
Действие регуляторных белков
