Сущность жизни

Вид материала

Документы

Содержание Регуляция генной активности Регуляция действия генов ( генетический контроль экспрессии генов ) Концепция оперона Регуляторные элементы

Подобный материал:

• В. П. Крючков Рассказы и пьесы, 957.62kb.
• Тематическое планирование курса «Обществознание», 10-11 классы, 470.24kb.
• Мировоззрение, его сущность, роль в жизни людей, 1231.6kb.
• Экзаменационные вопросы по философии, 16.84kb.
• Г. А. Василевич, доктор юридических наук, профессор сущность конституции, 68.32kb.
• Мы представляем фрагменты книги ш. А. Амонашвили «школа жизни» (М.: Издательский дом, 882.19kb.
• Прогнозирование и планирование: основные понятия, сущность и сфера применения. Изучив, 994.42kb.
• Программа для поступающих на направление подготовки магистратратуры 080200 «менеджмент», 256.74kb.
• Размножение и индивидуальное развитие организмов, 44.8kb.
• Закономерности возникновения жизни в космосе., 3156.97kb.

Схема транскрипции и процессинга мРНК в эукариотических клетках

ДНК

5 3

Промотор Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3 Стоп- сигнал , терминатор

3 5

Старт Кодирующая цепь

РНК-полимераза

Инициация Транскрипция




Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3



Предшественник мРНК – пре-мРНК




Процессинг





Интрон Интрон

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3







Сплайсинг

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3




Функционально активная , зрелая мРНК транспорт в цитоплазму


Трансляция


Трансляция ( от лат. translatio – передавать , передача ) – ферментативный матричный синтез полипептидных цепей – белков, осуществляемый в рибосомах из свободных аминокислот , с использованием мРНК в качестве информационной матрицы

Трансляция – процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в полипептиде , осуществляемый в рибосомах

• Осуществляется на рибосомах
  
• Многостадийный процесс , требующий больших затрат энергии АТФ и участия большого числа ( до 300 ) вспомогательных молекул
  

• В трансляции участвуют все три основных типа РНК : м- , р- , и тРНК :
  

• мРНК является информационной матрицей
  
• тРНК доставляют к месту синтеза аминокислоты (сырьё ) и считывают кодоны мРНК
  
• рРНК вместе с белками образуют рибосомы и осуществляют синтез полипептидной цепи ( белка )
  

• Генетический код расшифровывают ( реализуют ) тРНК
  

Механизм трансляции

• Транскрипция состоит из подготовительного и трёх основных этапов
  

Подготовительный этап

• На этом этапе происходит присоединение аминокислот к соответствующим тРНК ( осуществляется в цитоплазме )
  
• тРНК имеет структуру , состоящую из четырёх петель : антикодоновой , акцепторной и двух боковых
  
• К акцепторной петле соответствующих тРНК с помощью ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяются аминокислоты , которые транспортируются к рибосомам ( соответствие аминокислот тРНК определяется триплетом нуклеотидов - антикодоном , расположенным на антикодоновой петле тРНК )
  
• Триплеты нуклеотидов антикодона тРНК комплементарны триплетам кодонов мРНК
  

1. Инициация
   

• Осуществляется в рибосомах
  

• Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой ; в нерабочем состоянии они обычно не связаны друг сдругом ( диссоциированы ) ; в процессе трансляции субъединицы объединяются , образуя функциональный центр рибосомы – ФРЦ , состоящий из мРНК и двух субъединиц ( в ФЦР всегда находятся два триплета мРНК )
  

• В цельной рибосоме выделяют два активных центра ( сайта )
  

А - сайт ( аминокислотный или акцепторный ) – центр присоединения тРНК с аминокислотой и её декодирования

Р - сайт ( пептидальный ) – центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке и удержания тРНК с растущей полипептидной цепью

• Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет – она осуществляется через тРНК в Р-сайте
  

• Инициация начинается с того , что малая субъединица рибосомы перекрывает два кодона мРНК ( в том числе первый из них - кодон инициации АУГ , с которого начинаются все мРНК эукариот )
  
• К кодону инициации , который локализуется в Р-сайте , присоединяется ( связывается ) комплементарный ему антикодон тРНК с первой аминокислотой метионином ( с метионина начинается синтез любой молекулы белка эукариот ; она является неспецифической и после окончания синтеза удаляется )
  
• После образования комплекса между кодоном и антикодоном присоединяется большая субъединица рибосомы
  
• Ко второму триплету мРНК ( в А-сайте ) присоединяется другая тРНК со второй аминокислотой ( начиная со второй все аминокислоты специфичны для каждого белка ) , антикодон которой комплементарен кодону мРНК
  
• Между обеими аминокислотами на Р- и А-сайтах образуется первая пептидная связь ( образуется дипептид )
  

2. Элонгация ( продолжение синтеза )

• После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и « повисает » на соединённой с ней аминокислоте второй тРНК ( свободная первая тРНК освобождается из комплекса с рибосомой и уходит в цитоплазму а Р-сайт становится незанятым )
  
• Рибосома « делает шаг » , продвигается вдоль мРНК на следующий триплет ( кодон ) ; при этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт ( движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией )
  
• Цикл элонгации повторяется многократно , что сопровождается удлинением полипептида
  

3. Терминация ( окончание синтеза )

• Синтез полипептидной цепи идёт до тех пор , пока один из трёх стоп-кодонов мРНК ( это кодоны УАА , УГА и УАГ ) не достигнут А-сайта рибосомы ; в этот момент готовая белковая цепь отделяется , а рибосома диссоциирует на субъединицы
  
• Таким образом , последовательность нуклеотидов в мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде
  

• Вновь синтезированные полипептидные молекулы ( белки ) подвергается различным посттрансляционным модификациям – созреванию или процессингу : приобретают вторичную , третичную или четвертичную структуру , претерпевают фосфорилирование и т. д. ( после этого белковые молекулы поступают в каналы эндоплазматической сети и транспортируются по ней к месту назначения )
  

• Скорость сборки одной молекулы белка состоящей из 300 аминокислот , составляет 1 – 2 мин.
  

• Синтез белка могут вести одновременно несколько рибосом ( до 80 ) ; такие группы рибосом , осуществляющие синтез белка на одной молекуле мРНК называются полисомами ( полирибосомами )
  
• Таким образом , реализация генетической информации ( экспрессия генов ) происходит по следующей схеме : транскрипция трансляция
  

ген ДНК мРНК полипептид ( белок-фермент ) ------ реакция метаболизма ( обмена веществ ) ------признак организма -------свойство организма

• Передача генетической информации у организмов с клеточной формой жизни имеет одностороннюю направленность
  

Энергетика биосинтеза

• На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь затрачивается энергия , соответствующая расщеплению 4 молекул АТФ до АДФ , однако непосредствено используется лишь около 10 % выделяющейся энергии , остальная же её часть (90 % ) рассеивается в виде тепла
  

Регуляция генной активности

• Все клетки любого организма имеют полный набор генов , свойственных данному организму
  
• Клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков ; даже в одной клетке на разных этапах онтогенеза синтезируются и функционируют разные белки
  
• Разные типы клеток кроме белков , необходимых любой клетке организма , синтезируют свой набор специализированных белков , что приводит к появлению клеток со специфическими структурами и особыми функциями , т. е. к дифференцировке ( дифференцировка связана с производством большого количества белков одного или всего нескольких типов и почти всегда необратима )
  
• Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов
  
• Располагая полной генетической информацией , каждая клетка на определённом этапе развития использует лишь ту её часть , которая необходима в данный момент для отправления её функций
  
• Каждая клетка располагает генетическими механизмами , определяющими , какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться , т. е. способна регулировать активность ( экспрессию ) генов
  

Регуляция действия генов ( генетический контроль экспрессии генов ) – способность клетки избирательно увеличивать или уменьшать ( индуцировать или репрессировать ) экспрессию генов ( синтез определённых белков )

• Регуляция экспрессии генов возможна на уровне её этапов : транскрипции и трансляции
  

Регуляция на уровне транскрипции ( регуляция синтеза молекул мРНК )

• Среднее время жизни молекул мРНК ограничено , затем они расщепляются до нуклеотидов ; разрушая старые мРНК и образуя новые , клетки могут строго регулировать как тип продуцируемых белков , так и их количество
  
• Регуляция синтеза белка на уровне транскрипции у бактерий ( прокариот ) может осуществлятся согласно концепции оперона ( предложена французскими микробиологами Ф. Жакоб и Ж. Моно , 1961 г. , Нобелевская приемия 1985 г. )
  

Концепция оперона

Оперон – участок ДНК , транскрипция которого осуществляется на одну молекулу мРНК под контролем одного специального белка-регулятора

• В состав оперона входят структурные гены и регуляторные элементы ( не путать с геном-регулятором )
  

Структурные гены – гены , кодирующие белки – ферменты , осуществляющие биосинтез какого-либо вещества

• Этих генов может быть один или несколько
  
• Они тесно сцеплены друг с другом и в ходе транскрипции работают как один единый ген : на них синтезируется одна общая молекула мРНК , которая лишь потом расщепляется на несколько мРНК , соответствующих отдельным генам
  

Регуляторные элементы ( промотор , оператор , терминатор )

1. Промотор – начальный участок оперона для связывания фермента , осуществляющего транскрипцию ДНК – РНК-полимеразы
   

• Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК , с которой связывается РНК-полимераза
  
• Определяет , какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК
  
• Является местом начала транскрипции
  

2. Оператор – участок связывания регуляторного белка
   

• Отрезок ДНК в 20 нуклеотидов , следующий за промотором и регулирующий синтез мРНК
  

3. Терминатор – участок в конце оперона , содержащий стоп-кодон и сигнализирующий о прекращении транскрипции
   

• Прекращает продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона
  

• На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген-регулятор , синтезирующий соответствующий регуляторный белок
  

Ген-регулятор – ген , синтезирующий белки-регуляторы , обуславливающие активность оператора ( его включение в процесс транскрипции )

• Ген-регулятор может располагаться далеко от оперона или рядом на одной молекуле ДНК
  
• Может регулировать транскрипцию нескольких оперонов
  
• Ген-регулятор имеет собственный промотор и терминатор
  
• Регуляторные белки бывают двух типов : белок-активатор или белок-репрессор ; они присоединяются к определённым нуклеотидным последовательностям ДНК оператора , что либо препятствует транскрипции генов ( негативная регуляция ) , либо способствует ей ( позитивная регуляция )
  

Белок-репрессор – препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору ДНК и блокирует транскрипцию

Белок-активатор – облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором , что обеспечивает транскрипцию гена

• На работу регуляторных белков могут влиять вещества из окружающей среды , проникающие в клетку – эффекторы : связываясь с регуляторными белками они меняют их пространственную структуру , что либо повышает , либо снижает их сродство к ДНК и таким путём либо включает , либо выключает транскрипцию генов
  

Оперонная регуляция синтеза белка




Ген-регулятор О п е р о н





Ген-регулятор Промотор Оператор А В С Терминатор



Транскрипция Т р а с к р и п ц и я




мРНК


Белок-регулятор Т р а с л я ц и я







Эффектор Белок А Белок В Белок С


Регуляция на уровне трансляции

• Количество определённого фермента ( белка ) в клетке может регулируется наличием реактивного субстрата ( веществ , взаимодействие между которыми катализирует данный фермент ) , т. е. синтез ( трансляция ) фермента идёт активно только в случае эти вещества присутствуют в клетке и прекращается , когда они удаляются из клетки
  
• Такой тип регуляции синтеза фермента называется индукцией , а вещество , вызывающее этот синтез - индуктором
  

Реакции маиричного синтеза

Реакции матричного синтеза – ферментативнее реакции быстрого синтеза макромолекул , происходящие тольков живых клетках ( в настоящее время осуществлён in vitro )

• К реакциям матричного синтеза относятся реакции репликации молекул ДНК , трнскрипция ( синтез РНК ) , биосинтез белка – трансляция
  
• Протекают при следующих условиях :
  

1. Информационная матрица – молекула , присутствущая в процессе в единственном числе и содержащая информацию о порядке и последовательности синтеза
   
2. Ферменты ( зависимые синтетазы , полимеразы )
   
3. Сырьё – низкомолекулярные органические вещества ( нуклеотиды , аминокислоты )
   
4. Источник энергии –АТФ , макроэрги
   
5. Соответствующий органоид клетки ( ядро , рибосомы )
   

Воспроизведение ( деление ) клеток

Жизненный цикл клетки

Жизненный ( клеточный ) цикл – жизнь клетки от момента её возникновения в результате деления материнской клетки до окончания её собственного деления или смерти

• Жизненный цикл включает :
  

1. Период покоя ( ближайшая судьба клетки не определена , возможна подготовка к следующему делению или функциональная дифференцировка )
   
2. Период дифференцировки и специализации ( приобретения клеткой тканевой видоспецифичности )
   
3. Период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций
   
4. Подготовка к предстоящему делению ( митозу )
   
5. Деление клетки - митоз
   

• Биологический смысл этих процессов – преемственность структурно-функциональной организации материнской клетки в ряду клеточных делений
  

• Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл
  

Митотический ( пролиферативный )цикл – комплекс процессов подготовки клетки к делению и самого деления ( интерфаза и митоз )

• В митотическом цикле выделяют интерфазу и митоз (М)
  

Интерфаза – совокупность процессов , подготавливающих клетку к предстоящему делению


Процессы интерфазы

• Включает три периода
  

1. Пресинтетический , или постмитотический – G₁
   

• следует непосредственно за делением клетки , самый продолжительный по времени – от 10 часов до нескольких суток ( у неделящихся клеток это единственный период митотического цикла )
  
• осуществляется рост клетки ( увеличение объёма цитоплазмы и количества органелл )
  
• активный синтез структурных и функциональных белков и РНК
  
• формула ядра клетки 2n2c
  

2. Синтетический - S
   

• самый главный в интерфазе и митотическом цикле ( в делящихся клетках млекопитающих он длится 6-10 ч. )
  
• осуществляется синтез ядерной ДНК и редупликация хромосомных структур ( содержание ДНК удваивается , каждая хромосома становиться двунитчатой , т. е. состоит из двух хроматид – идентичных молеку ДНК )
  

• Если число хромосом в гаплоидном наборе обозначать буквой - n ( в диплоидном наборе соответственно – 2n ) , а число молекул ДНК , необходимых для образования гаплоидного набора хромосом обозначать буквой (с) , то можно записать формулу ядра соматической клетки на разных стадиях митотического цикла . До S – периода каждая хромосома состояла из одной молекулы ДНК , следовательно формула ядра диплоидной клетки в G₁ имеет вид 2n2c
  
• После репликации в S – периоде , когда ДНК каждой хромосомы себя удваивает , суммарное количество ДНК в ядре увеличивается вдвое и формула клетки приобретает вид 2n4c
  

• продолжение синтеза белков и РНК
  
• формула ядра клетки 2n4c
  

3. Постсинтетический – G₂
   

- продолжается 3 – 4 часа

- усиление биосинтеза белка и РНК ( образование компонентов нитей веретена деления )

- деление митохондрий и хлоропластов ( их число удваивается )

- удвоение центриолей

• активный синтез АТФ ( накопление энергии для предстоящего деления )
  
• формула ядра клетки 2n2c
  
• клетка приступает к делению