ЛЕКЦИЯ 25 Биосинтез белка Регуляция биосинтеза белка Геномика

ЛЕКЦИЯ 25 Биосинтез белка. Регуляция биосинтеза белка. Геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика.

ПЛАН • • 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)

Основная догма молекулярной биологии

Основные направления переноса генетической информации

• Генети ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Свойства генетического кода • 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. •

Свойства генетического кода • 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

Секторный вариант записи генетического кода, внутренний круг — 1 -е основание кодона (от 5' -конца)

Фазы клеточного цикла G 2 -фаза Подготовка к митозу S-фаза Репликация ДНК; Синтез гистонов; Образование центросомы; Удвоение G 1 -фаза Синтез РНК и белков, рост клетки G 0 -фаза Клетки не делятся

• Реплика ция 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.

Полуконсервативный механизм репликации

Репликация • Инициация (образование репликативной вилки) • Элонгация (синтез новых цепей) • Исключение праймеров • Терминация (завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК).

Репликационная вилка

• 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.

Типы РНК, образующиеся в результате транскрипции • 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

Транскрипция ДНК 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 • Трансляция - осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК.

Синтез аа-ТРНК Рекогниция – процесс узнавания т. РНК своей АК, происходящий при помощи фермента аминоацил-т. РНК-синтетазы

Основные компоненты белок-синтезирующей системы 1) Аминокислоты 2) т-РНК 3) м-РНК 4) Аминоацил-т. РНК 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-т. РНК синтетазой АТФ гидролизуется до АМФ и пирофосфата) - 2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аа-т. РНК в А-центре рибосомы, вторая затрачивается на стадию транслокации - АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи

Общая схема трансляции Инициация. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением т. РНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц. Элонгация 1) Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-т. РНК (комплементарное взаимодействие кодона м. РНК и антикодона т. РНК увеличено). 2) Присоединение аминокислоты, принесённой т. РНК, к концу растущей полипептидной цепи. 3) Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы т. РНК. 4) Аминоацилирование высвободившейся молекулы т. РНК соответствующей ей аминоацил-т. РНК-синтетазой. 5) Присоединение следующей молекулы аминоацил-т. РНК, аналогично стадии (2). 6) Движение рибосомы по молекуле м. РНК до стоп-кодона (в данном случае UAG). Терминация. Узнавание рибосомой стоп-кодона и отсоединение новосинтезированного белка, диссоциация рибосомы.

Трансляция

• 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 (м. РНК). • Рибосомы представляют собой нуклеопротеиды, в составе которых отношение РНК/белок составляет 1: 1 у высших животных.

Разный набор и количество белков в эукариотических клетках может регулироваться: • 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

Стойкая репрессия генов гетерохроматина обеспечивается: • 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).

Гистоны • Основной класс нуклеопротеидов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. • Типы гистонов — H 1/Н 5, H 2 A, H 2 B, H 3, H 4. • 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.

Регуляция синтеза белка по Френсису Жакобу и Жаку Моно – теория оперона • 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 м. РНК. • • Оператор - белок-репрессор, который синтезируется в клетке с постоянной скоростью и имеет сродство к операторному участку. • Репрессор – белок, связывающийся с геномоператором, подавляющий синтез м. РНК. • Индуктор – вещество, связывающееся с репрессором и снимающий подавление синтеза м. РНК. • Ген-регулятор – ген, вырабатывающий репрессор.

Гидролиз лактозы β-галактозидазой

Регуляция синтеза белка путем индукции. ГР - генрегулятор; П - промотор; ГО - ген-оператор

Схема регуляции экспрессии гена у эукариот

Регуляция синтеза белка путем репрессии

ПЦР • Полимера зная цепна я реа кция (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.

Амплификатор

Обычно при проведении ПЦР выполняется 20 — 35 циклов, каждый из которых состоит из трёх стадий 1. Денатурация при 95 С (разрушение водородных связей между двумя цепями ДНК). 2. Отжигом при 90 С (присоединение праймеров) 3. Элонгация при 70 С (синтез ДНК)

Применение ПЦР • • • Персонализованная медицина Криминалистика Установление отцовства Медицинская диагностика Клонирование генов

Многомерная биология

Геномика • 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 м. РНК, 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.