Механизмы реализации генетической информации. Транскрипция. Трансляция. Гены

Механизмы реализации генетической информации. Транскрипция. Трансляция.

Гены Ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одной молекулы РНК. Гены структурные индуцибельные функциональные «домашнего хозяйства» конститутивные «роскоши»

Транскрипция – это синтез РНК на матрице ДНК Принципы: • • • Матричность Комплементарность Антипараллельность Условия: • • • ДНК-матрица NTP (ATP, GTP, CTP, UTP) Ферменты (РНКполимеразы) и другие белки Энергия (АТФ) Среда (Mg, p. H)

Структура транскриптона промотор кодирующий участок терминатор 5’ 3’ промотор экзоны терминатор 5’ 3’ интроны 5’-нетранслируемая область 3’-нетранслируемая область Транскриптон прокариот 5’-нетранслируемая 3’-нетранслируемая область Транскриптон эукариот

Структура промотора прокариот

РНК-полимераза прокариот 1. Состоит из нескольких субъединиц: • • • 2 α (каркас РНК-полимеразы, связывание с ДНК) β (полимеризация РНК) β’ (неспецифическое связывание с ДНК) ω (защита фермента от денатурации) σ (распознавание и связывание с промотором) ααββ’ω – кор-фермент Кор-фермент + σ-субъединица = холофермент 2. Катализируют реакцию (NMP)n + NTP → (NMP)n+1 + PP 3. Осуществляет синтез в направлении 5’→ 3’. 4. В праймере не нуждается (начинает синтез с нуля).

Инициация транскрипции (прокариоты) 1. Связывание холофермента с промотором σ-субъединица AACTGT TTGACA ATATTA TATAAT холофермент GTA САT

Инициация транскрипции (прокариоты) 2. Образование открытого комплекса 3’ 5’ AACTGT TTGACA σ-субъединица ATATTA GTA TATAAT САT холофермент

Инициация транскрипции (прокариоты) 3. Синтез начального участка цепи РНК 3’ 5’ AACTGT TTGACA σ-субъединица ATATTA GTA 5’ TATAAT САT РНК Кор-фермент холофермент

Элонгация транскрипции (прокариоты) Элонгация транскрипции – удлинение цепи РНК 3’ ДНК 5’ 5’ РНК Кор-фермент

Терминация транскрипции (прокариоты) Терминация транскрипции – окончание синтеза РНК Терминация ρ-независимая ρ-зависимая

ρ-независимая терминация

ρ-зависимая терминация ρ-белок присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК и с затратой энергии АТФ способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК.

Транскрипция (эукариоты) РНК-полимеразы: • РНКП I синтезирует 5. 8 S, 18 S, 28 S р. РНК. • РНКП II синтезирует м. РНК, мя. РНК. • РНКП III синтезирует т. РНК, 5 S р. РНК, мя. РНК. • РНКП митохондриальная

Структура промотора эукариот (для РНКП II) 5’ -100/-300 -60/-80 -25 +1 3’ 5’ 3’ GC-мотивы СААТ-бокс ТАТААА CAT (ТАТА-бокс) (старт)

Факторы транскрипции (для РНКП II) • • ТВР связывается с ТАТА-боксом TF II D TAF – ТВР-ассоциированные факторы TF II A – вспомогательный инициаторный фактор TF II B способствует связыванию TF II F и РНКП II TF II F (геликаза) TF II H (киназа) TF II E способствует связыванию TF II H

Процессинг РНК Процессингом РНК называют комплекс посттранскрипционных модификаций РНК (созревание молекулы РНК). Этапы процессинга м. РНК: 1. Модификация 5’-конца 2. Модификация 3’-конца 3. Сплайсинг

Функции КЭПа: • • • Защита 5’-конца м. РНК от деградации Взаимодействие с рибосомой при инициации трансляции Транспорт м. РНК из ядра poly. A-хвоста: • • • Защита 3’-конца м. РНК от деградации Транспорт м. РНК из ядра Участие в сплайсинге (гипотеза)

Сплайсинг (Р. Робертс, Ф. Шарп, 1977 г. ) Сплайсинг – удаление интронов и соединение экзонов. Интроны – некодирующие участки гена. Экзоны – информативные участки гена. Типы интронов: • Интроны I типа – в генах р. РНК Простейших (аутосплайсинг) • Интроны II типа в митохондриальных генах многих эукариот (аутосплайсинг) • Интроны III типа – в генах ядерных м. РНК (сплайсосома).

Структура интрона (ядерная м. РНК)

Структура зрелой м. РНК

Процессинг т. РНК (эукариоты)

Процессинг р. РНК (эукариоты)

Процессинг р. РНК (прокариоты)

Процессинг т. РНК (прокариоты)

Трансляция – синтез полипептидной цепи на матрице РНК. Принцип: Матричность Условия: • • м. РНК Рибосомы Аминокислоты т. РНК Ферменты, факторы трансляции Энергия (АТФ, ГТФ) Среда

Образование аминоацил-т. РНК

Рибосомы Прокариоты Эукариоты 70 S 30 S 16 S р. РНК 21 белок 80 S 5 S р. РНК 23 S р. РНК 34 белка 40 S 18 S р. РНК 30 -35 белков 60 S 5 S р. РНК 5, 8 S р. РНК 28 S р. РНК 45 -50 белков

Структура рибосомы

Инициация трансляции (прокариоты) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Образование формил-метионил-т. РНК (fmet-т. РНК). 30 S + IF 3 → диссоциация рибосомы + м. РНК Доставка fmet-т. РНК к старт-кодону AUG (IF 2/GTP → IF 2/GDP) Образование водородных связей между кодоном AUG и антикодоном UAC (fmet-т. РНК) +IF 1 (способствует реассоциации рибосомы) + 50 S → 70 S Отсоединение факторов инициации (IF 1, 2, 3) fmet-т. РНК находится в Р-участке рибосомы, А-участок свободен. Рамка считывания устанавливается благодаря последовательности Шайна-Дальгарно (богатая пуринами 5 -8 -нуклеотидная последовательность, комплементарная полипиримидиновому участку 16 S р. РНК)

Элонгация трансляции (прокариоты) 1. 2. Образование следующего комплекса аминоацилт. РНК Доставка аминоацил-т. РНК в А-участок рибосомы (Tu/GTP → Tu/GDP) 4. Образование пептидной связи между аминокислотами в Р- и А-участках Транслокация рибосомы на 1 кодон 5. Восстановление комплекса Tu/GTP: 3. (G/GTP → G/GDP) Tu/GDP + Ts → Tu/Ts + GDP Tu/Ts + GTP → Tu/GTP + Ts

Терминация трансляции (прокариоты) • • • Стоп-кодоны: UAA, UAG, UGA Факторы терминации: RF 1, RF 2, RF 3 RF 1 распознает кодоны UAG и UAA RF 2 распознает кодоны UGA и UAA RF 3 облегчает работу других факторов, обладает GTP-азной активностью.

Полисома (полирибосома) – это несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу м. РНК.

Особенности трансляции прокариоты Рибосомы 70 S (30 S, 50 S) Ø Стартовая аминокислота fmet Ø Факторы инициации IF 1, 2, 3 Ø Выбор Последовательность старт-кодона Шайна-Дальгарно Ø Факторы элонгации EF 1 (Tu), EF 2 (Ts), EF 3 (G) Ø Факторы терминации RF 1, RF 2, RF 3 Ø Локализация Цитозоль процесса в клетке Ø Сопряженность Идут одновременно с транскрипцией Ø эукариоты 80 S (40 S, 60 S) met e. IF 1, 2, 3, 4 A, 4 B, 4 C, 4 Е, 5 КЭП (гипотеза сканирования) e. EF 1, e. EF 2 e. RF 1 (возможно, e. RF 2) Цитозоль, мембраны ЭПР, митохондрии После транскрипции и процессинга РНК