Оперон, його будова і функція

Синтез білка

Пояснення до завдання

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТТЯ

МЕЗХАНІЗМИ МІНЛИВОСТІ В ЛЮДИНІ

ОРГАНІЗАЦІЯ ПОТОКУ ІНФОРМАЦІЇУ КЛІТИНІ. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ. МОЛЕКУЛЯРНІ

Завдання: Вивчити поділ клітин як прояв загальної властивості живого – здатності до самовідтворення: причини, способи, умови, механізми.

Обладнання: модель ДНК, таблиці, підбірка ситуаційних задач з молекулярної генетики.

Технологічна карта заняття:

- підготовчий етап (контроль початкового рівня підготовки) 10 хв;

- основний етап (самостійна навчально-дослідницька робота) 50 хв;

- заключний етап (контроль кінцевого рівня підготовки;

підведення підсумків заняття) 30 хв.

Розглянути теоретичні питання:

1. Організація потоку інформації в клітині. Транскрипція.

Процесинг, сплайсинг. 20 II

2. Трансляція (ініціація, елонгація, термінація).

Посттрансляційна модифікація білків. 20 II

3. Екзонно-інтронна організація генома еукаріотів. 15 II

4. Регуляція експресії генів у прокаріотів. 30 II

5. Молекулярні механізми мінливості в людини. 15 II

Синтез білка – це багатоступінчастий ферментативний процес, який здійсню­ється в клітинах живих організмів і забезпечує постійне оновлення білків органів і тканин. Процес синтезу білка складається з чотирьох послідовних стадій, або етапів.

Перший етап – активування амінокислот, у результаті чого підвищується їх реакційна здатність і вони легше взаємодіють між собою при з’єднанні в поліпептидний ланцюг. У цитоплазмі завжди міститься набір амінокислот, необхідних для синтезу потрібних клітині білків.

Процес активування амінокислоти відбувається при взаємодії її з АТФ (аденозинтрифосфорною кислотою) і специфічним ферментом. При цьому внаслідок розриву фосфорних зв’язків вивільняється велика кількість енергії. Весь запас енергії АТФ переходить на амінокислоту й остання стає більш активною. У кінцевому результаті утворюється комплекс: фермент аміноацил-тРНК-синтетаза – амінокислота – АМФ з великою кількістю енергії.

Другий етап – зумовлений процесом перенесення, або транспортування активованих амінокислот до рибосом (рис.27). Цю функцію виконує тРНК. Один кінець тРНК містить основи, комплементарні відповідній ділянці (кодону) в ланцюгу іРНК, а другий кінець – здатний “впізнавати” амінокислоту. Кінець, до якого приєднується амінокислота, у всіх тРНК має однакові нуклеотиди – ЦЦА. Кожна з молекул тРНК приєднується до “своєї” активованої амінокислоти. При цьому АМФ відщеплюється й утворюється сполука тРНК – амінокислота. У такому вигляді амінокислота транспортується до рибосом і зв'язується з ними.

Третій етап – розпочинається розташуванням амінокислот у порядку, визначеному чергуванням нуклеотидів ДНК, на іРНК – матриці і закінчується замиканням пептидних зв'язків у молекулі білка. Відбувається цей процес у рибосомах за участі ферменту пептидилтрансферази. Рибосоми побудовані з білка і РНК. Ця РНК отримала назву – рибосомна (рРНК). На одній молекулі іРНК може одночасно перебувати декілька рибосом, які утворюють між собою групи або агрегати, що називаються полісомами. Здебільшого на одній молекулі іРНК розташовуються 4–5 рибосом, проте відомі випадки, коли на одній такій молекулі міститься одночасно 50-70 рибосом (клітини, заражені вірусом поліоміеліту). Число рибосом, які входять у полісоми, визначається довжиною ланцюга іРНК. Очевидно, вони здійснюють одночасно синтез не одного, а декількох різних поліпептидних ланцюгів. Доведено, що в ретикулоцитах синтез молекули гемоглобіну триває 1 хв. У клітинах бактерій час синтезу білків ще коротший і для деяких білків – ферментів становить 10 с.

У полісомах рибосоми з’єднані між собою ниткою інформаційної рибонуклеїнової кислоти діаметром 1-1,5 нм.

Із прикріплення до іРНК активованих амінокислот розпочинається синтез поліпептидного ланцюга. Рухаючись в одному напрямку, рибосома зчитує по три нуклеотиди і приєднує до поліпептидного ланцюга по одній амінокислоті. Досягнувши протилежного кінця ланцюжка іРНК, рибосома відділяється, і в цитоплазму надходить синтезована молекула білка.

Четвертий етап. На цьому етапі лінійна молекула поліпептидного ланцюга набуває об’ємної структури. Під впливом водневих зв’язків поліпептидний ланцюг скручується в спіраль і білкова молекула набуває біологічно активної конфігурації.

Отже, провідна роль у біосинтезі білка належить ДНК. Залежно від розташування кодуючих триплетів, вздовж її ланцюга на ній синтезується іРНК. Остання реалізує інформацію, розташовуючи відповідно до своєї будови амінокислоти в синтезувальній молекулі білка. Передача генетичної інформації в живих системах здійснюється в напрямку:

		транскрипція
	(зберігач генетичної інформації)				(реалізація генетичної інформації)

		іРНК

Таким чином, спадкова інформація, всі ознаки і властивості організму зберігаються в молекулярній структурі ДНК, а реалізується спадковість у процесі синтезу білка.

ДНК бере участь у синтезі всіх білків, вона визначає їх будову і функції. Проте сама ДНК не є безпосередньою матрицею в синтезі білків. Відомо, що ДНК, за винятком бактерій, розташована в хромосомах клітинного ядра, а синтез білка відбувається переважно в цитоплазмі, де вміст ДНК дуже незначний. Отже, має існувати механізм перенесення генетичної інформації від ядра до цитоплазми – до місця синтезу білка.

Вчені Е.Волкін і Л.Астрахан вперше довели, що проміжною матрицею в процесах біосинтезу білка є РНК. Прямі докази того, що безпосередньо на ДНК білок не синтезується, а здійснюється це за участі РНК, були отримані в досліді з використанням методу радіоавтографії. Точними експериментами доведена пряма залежність між вмістом у клітинах РНК і кількістю синтезованого ними білка. Клітини, багаті на РНК, синтезують більше білка, ніж клітини, що мають низький її вміст.

Рис. 27. Схема біосинтезу білка

Так було доведено основний генетичний постулат матричної теорії спадковості, який схематично має такий вигляд:

(реплікація) → ДНК — (транскрипція)→ РНК — (трансляція) → білок

Транскрипцією (від лат. transcriptio – переписування) називають процес перенесення (переписування) інформації із дволанцюгової молекули ДНК на одноланцюгові молекули РНК. При цьому матрицею для синтезу РНК може бути тільки один ланцюг ДНК, який отримав назву сенсового ланцюга.

У транскрипції розрізняють три стадії: ініціацію, елонгацію і термінацію. Фермент, який здійснює цей процес, називають ДНК-залежною РНК-полімеразою.

В еукаріот відомо три типи РНК-полімераз: 1 – відповідає за синтез рРНК, 2 – відповідає за синтез іРНК, 3 – відповідає за синтез тРНК і низькомолекулярної рРНК – 5S РНК.

Трансляція (від лат. translatio – переведення, перенесення) – переведення генетичної інформації, що міститься у вигляді послідовності мономерів ДНК, у послідовність амінокислот білка.

Під час трансляції інформація переводиться з чотирилітерного алфавіту нуклеїнових кислот на двадцятилітерний алфавіт амінокислотних послідовностей поліпептидних ланцюгів.

У цьому процесі розрізняють три стадії:

1. Стадія активації амінокислот – утворення аміноациладенілатів у результаті взає­модії амінокислот з АТФ під контролем ферменту, специфічного для кожної аміно­кислоти. Ці ферменти – аміноацил-тРНК-синтетази – беруть участь у наступній стадії.

2. Стадія аміноацилювання тРНК – приєднання амінокислотних залишків до тРНК у результаті взаємодії рРНК і комплексу аміноацил-тРНК-синтетази з аміноациладе­нілатом. Кожний амінокислотний залишок приєднується до специфічної тРНК.

3. Власне трансляція, або полімеризація, амінокислотних залишків з утворен­ням пептидних зв’язків і, таким чином, полімеризація поліпептидних ланцюгів. Ця стадія відбувається на рибосомах під контролем іРНК згідно з генетичним кодом.

Таким чином, організми розрізняються між собою специфічними білками (структурними, ферментативними, антигенними та ін.). Білки (ланцюги їх молекул) складаються з амінокислот. Взаєморозташування амінокислот визначає специфічні властивості білка.

З вищевикладеного випливають висновки:

- біосинтез білків відбувається в цитоплазмі клітини на спеціальних органелах – рибосомах;

- кожна рибосома має велику і малу субодиниці, які відіграють важливу роль на різних етапах біосинтезу білків;

- біосинтез білка відбувається в чотири етапи:

- на першому етапі, у процесі траскрипції на матриці ДНК синтезуються всі необхідні для біосинтезу білка РНК;

- матричні (інформаційні) РНК після транскрипції зазнають процесу посттранскрипційної модифікації: у процесі сплайсингу з новоутвореної іРНК вирізаються неінформаційні фрагменти – інтрони і зшиваються інформаційні ділянки – екзони;

- модифікована іРНК у комплексі з білками (у вигляді інформосом) виходить з ядра в цитоплазму;

- рибосомальна РНК (рРНК) необхідна для побудови рибосом, де вона утворює комплекси з різними білками;

- транспортна РНК (тРНК) бере участь у процесі активації амінокислот;

- на другому етапі, який називається рекогніція, відбувається активація амінокислот за допомогою тРНК і ферменту аміноацил-тРНК-синтетази;

- на третьому етапі, у процесі трансляції, відбувається зчиту­вання інформації з іРНК і перенесення її на амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюга;

- у процесі трансляції рибосома стрибкоподібно пересувається триплетними кроками, у результаті чого до іРНК приєднуються все нові комплекси тРНК-амінокислота і нарощується поліпептидний ланцюг;

- на четвертому етапі синтезований поліпептидний ланцюг набуває вторинної, третинної, а в деяких випадках і четвертинної структури (процес посттрансляційної модифікації).

Для синтезу білка необхідно: 1) енергія (у вигляді АТФ у мітохондріях); 2) відпо­відні ферменти; 3) інформація про структуру білка (у ДНК, а потім в іРНК); 4) аміно­кислоти і відповідні їм тРНК; 5) рибосоми. Молекули білка синтезуються в клітині впродовж 1-2 с. Синтез білків у клітині відбувається в інтерфазі – період між її поділом.

Оперон (від лат. оpero – працюю, займаюсь) – одиниця зчитування генетичної інформації, сукупність генів, що утворюють функціональну одиницю хромосоми. Це ділянка ДНК, що складається із зчеплених структурних генів (цистронів): промотора, гена-оператора, гена-термінатора, у нуклеотидній послідовності яких закодовано одну (еукаріоти) чи кілька (прокаріоти) молекул мРНК, які детермінують (визначають) синтез певних білків (ферментів). Промотор (сигнал початку транскрипції) розміще­ний на початку оперона і є короткою послідовністю нуклеотидів ДНК, з якою зв’язується фермент РНК-полімераза (є декілька видів ферменту). Після промотора, як правило, розміщений ген-оператор у прокаріот або акцепторна зона в еукаріот. Ген-оператор – це ділянка ДНК, що безпосередньо прилягає до структурних генів і регулює функціональну активність оперона внаслідок зв’язування з білком репресором, синтез якого кодується геном-регулятором. Ген-регулятор може знаходитися поряд чи на деякій відстані від оперона. Після структурних генів локалізується ген-термінатор, який є сигналом закінчення транскрипції (рис.28).

Механізм регуляції роботи оперона здійснюється так. Поки кінцевий продукт D синтезується в необхідній кількості, репресор перебуває в неактивному стані, ген-оператор “включений” і структурні гени працюють. Як тільки продукт D накопичуєть­ся в кількостях більших, ніж це потрібно клітині, він вступає в реакцію з репресором, останній активується і, вступаючи у взаємодію з геном-оператором, припиняє роботу всієї системи. Але коли в клітині виникає необхідність у біохімічній реакції, продукт D починає вироблятися і дія репресора призупиняється. При цьому вивільняється ген-оператор. Останній включає роботу структурних генів і синтез необхідного продукту.

Рис. 28. Схема механізму генетичного контролю синтезу ферментів у бактерій

(за: Жакоб і Моно, 1961)

Отже, генетична система клітини, використовуючи механізми індукції і репресії, сприймає сигнали щодо початку і закінчення синтезу того або іншого білка (ферменту) і здійснює цей процес з певною швидкістю.

Самостійна навчально-дослідницька робота:

1. Вивчити й зарисувати схему будови лактозного оперона.

2. Розв’язати декілька ситуаційних задач з молекулярної генетики на реалізацію генетичного коду під час трансляції, екзонно-інтронної організації генома.

Набути практичних навичок:

1. Уміти скласти схему регуляції експресії генів.

2. Уміти обчислити молекулярну масу білка, гена, довжину гена (за умовою си­туаційної задачі).

Питання до самоконтролю:

1. Що називають транскрипцією, в якій частині клітини вона відбувається?

2. Які ферменти беруть участь у дозріванні інформаційної РНК?

3. У чому полягає значення процесингу?

4. З чого починається трансляція?

5. Який процес одержав назву рекогніції?

6. З якою швидкістю відбувається біосинтез пептидного ланцюга під час трансляції?

7. У чому полягають посттрансляційні перетворення білків?

8. Які молекулярні процеси у клітині є основою експресії генів?

9. Що таке оперон?

10. Які функції гена-оператора, промотора, термінатора, регулятора, білка-репресора в моделі оперона?

11. Що називають генними мутаціями?

12. Які основні причини мутацій?

Дата добавления: 2017-02-01