Процес транскрипції спадкової інформації відбувається лише на рівні. Спадкова інформація: зберігання та передача

Етапи реалізації генетичної інформації

I. Т ранскрипція - синтез всіх видів РНК на матриці ДНК. Транскрипція, або переписування, відбувається не на всій молекулі ДНК, а на ділянці, що відповідає за певний білок (ген). Умови, необхідні для транскрипції:

а) розкручування ділянки ДНК за допомогою білків-ферментів, що розплітають.

б) наявність будівельного матеріалуяк АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменти трансктипції – РНК-полімерази I, II, III

г) енергія як АТФ.

Транскрипція відбувається за принципом комплементарності. При цьому за допомогою спеціальних білків-ферментів ділянка подвійний спіраліДНК розкручується, є матрицею синтезу иРНК. Далі вздовж ланцюга ДНК

рухається фермент РНК-полімераза, з'єднуючи між собою нуклеотиди за принципом комплементарності в ланцюг РНК, що росте. Далі одноланцюжкова РНК відокремлюється від ДНК і через пори в мембрані ядра залишає клітинне ядро ​​(рис. 5)

Рис. 5 Схематичне зображення транскрипції.

Відмінності в транскрипції про- та еукаріотів.

за хімічної організаціїспадкового матеріалу еукаріоти та прокаріоти принципово не відрізняються. Відомо, генетичний матеріалпредставлений ДНК.

Спадковий матеріал прокаріотів міститься в кільцевій ДНК, яка розташовується в цитоплазмі клітини. Гени прокаріотів складаються повністю з кодуючих нуклеотидних послідовностей.

Гени еукаріотів містять інформативні ділянки -екзони, які несуть інформацію про амінокислотну послідовність білків, і неінформативні ділянки - інтрони, що не несуть інформації.

Відповідно, транскрипція інформаційної РНК у еукаріотів проходить у 2 етапи:

S) переписуються (транскрибуються) всі ділянки (інтрони та екзони) -така іРНК прийнято називати незрілої або про-іРПК.

2). процессинг- Дозрівання матричної РНК. За допомогою спеціальних ферментів вирізають інтронні ділянки, потім зшиваються екзони. Явище зшивання екзонів прийнято називати сплайсингом. Посттранскрипційне дозрівання молекули РНК відбувається у ядрі.

ІІ. Трансляція (Translation), чи біосинтез білка. Суть трансляції -переведення чотирилітерного шифру азотистих основ на 20-літерний «словник» амінокислот.

Процес трансляції полягає у перенесенні закодованої в іРНК генетичної інформації в амінокислотну послідовність білка. Здійснюється біосинтез білка в цитоплазмі на рибосомах і складається з кількох етапів:

1. Підготовчий етап(активація амінокислот), полягає у ферментативному зв'язуванні кожної амінокислоти зі своєю тРНК та утворенні комплексу амінокислота - тРНК.

2. Власне синтез білка, який включає три стадії:

а) ініціація - іРНК пов'язується з малою субодиницею рибосоми, першими кодонами, що ініціюють, є АУТ або ГУГ. Цим кодонам відповідає комплекс метіоніл-тРНК. Разом з тим, в ініціації бере участь три білкові: фактори, що полегшують зв'язування мРНК з великою субчастицею рибосоми, утворюється ініціаторний комплекс

б) елонгація - подовження поліпептидного ланцюжка. Процес здійснюється в 3 кроки і полягає у зв'язуванні кодону мРНК з антикодоном тРНК за принципом комплементарності активному центрірибосоми, потім в освіті пептидного зв'язкуміж двома залишками амінокислот і переміщенні дипептиду на крок вперед і, відповідно, пересування рибосоми вздовж іРНК на один код вперед

в) термінація - закінчення трансляції, залежить від присутності в іРНК термінуючих кодонів або "стоп-сигналів" (УАА, УГА, УАГ) та білкових ферментів - факторів термінації (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляції

а) стадія елонгації;

б) надходження синтезованого білка в ендоплазматичну мережу

У клітині для синтезу білка використовується не одна, а кілька рибосом. Такий працюючий комплекс іРНК із кількома рибосомами прийнято називати полірибосомою. У такому разі синтез білка відбувається швидше, ніж при використанні лише однієї рибосоми.

Вже в ході трансляції білок починає укладатися в тривимірну структуру, а при вкрай важливості в цитоплазмі приймає четвертинну організацію.

Рис 7 Роль нуклеїнових кислоту передачі генетичної інформації

Лексико-граматичні завдання:

бути

визначатися

кодувати чим

характеризуватися

називатися

Завдання №1.Слова та словосполучення, дані у дужках, напишіть у правильній формі.

1. Усі морфологічні, анатомічні та функціональні особливості будь-якої клітини та організму в цілому визначаються (структура специфічних білків).

2. Послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюжку визначається (послідовність) нуклеотидів у ділянці ДНК, яку прийнято називати (ген), а послідовність нуклеотидів у ДНК прийнято називати (генетичний код).

3. Кожна амінокислота кодується (група з трьох нуклеотидів), яку прийнято називати (триплет).

4. Генетичний кодхарактеризується ( наступні ознаки: триплетність, виродженість, безперервність, лінійність і відсутність ком, універсальність).

5. 20 амінокислот кодуються (одні й самі триплети).

Завдання №2.Замість точок використовуйте короткі та повні формипричастя, утворені від дієслів кодуватись - закодуватися.

1. Послідовність нуклеотидів у ДНК, певні амінокислоти в молекулі білка, прийнято називати генетичним кодом.

2. Одна й та сама кислота має бути... кількома триплетами.

3. 20 амінокислот... одними й тими самими триплетами.

4. Розрізняють структурні гени, ... структурні та ферментні білки, а також гени з інформацією для синтезу тРНК та рРНК та ін.

5. Наступним етапом реалізації генетичної інформації, ... у гені, є транскрипція.

принципово (не) відрізняються суттєво по якомуознакою

значно

По хімічній організації матеріалу спадковості еукаріоти та прокаріоти принципово не відрізняються. Генетичний матеріал вони представлений ДНК.

Завдання №3. Прочитайте частину тексту «Відмінність транскрипції у про- та еукаріотів». Розкажіть про етапи реалізації спадкової інформації.

Завдання №4. Закінчіть речення, спираючись на інформацію тексту.

1. Спадковий матеріал прокаріотів міститься в.

2. Гени прокаріотів складаються повністю з.

3. Гени еукаріотів містять.

4. Транскрипція у еукаріотів відбувається в.

5. Трансляція полягає в перенесенні закодованої в іРНК генетичної інформації.

6. Трансляція здійснюється в цитоплазмі на.

Завдання№5. Складіть схему етапів трансляції та розкажіть за схемою про поетапне здійснення трансляції.

Рішеннятипових завдань

Ділянки структурних генів у про- та еукаріотів мають подібні послідовності нуклеотидів:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причому, у еукаріотів послідовність нуклеотидів АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА та ГГА-АЦА -АТА кодують інтронні ділянки для і-РНК Використовуючи словник генетичного коду, визначте:

а) яку послідовність нуклеотидів матиме іРНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у прокаріотів;

б) яку послідовність нуклеотидів матиме іРНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у еукаріотів;

в) яку послідовність амінокислот матиме білок, що кодується даною ділянкою гена у про- та еукаріотів.

Тема 9. Ген,його будова та функції.

Відомо, що матеріальними носіями генетичної інформації гени. Ген - елементарна одиницяспадковості, що визначає розвиток будь-якої ознаки організму. Гени знаходяться в хромосомах і

займають певне місце - локус. З точки зору молекулярної біології ген - це ділянка молекули ДНК, в якій закодовано інформацію про синтез певного білка. Етапи реалізації генетичної інформації, закодованої в гені, можна подати у вигляді схеми:

Молекулярні механізми реалізації генетичне ської інформаціїормації

Основні положення теорії гена:

1. Ген займає певне місце(локус) у хромосомі.

2. Ген (цистрон) – частина молекули ДНК, яка відрізняється певною послідовністюнуклеотидів і є функціональною одиницю спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, що входять до складу різних генів, є різною.

3. У межах одного гена можуть спостерігатися рекомбінації (обмін ділянками. Такі ділянки цистрона називаються реконами).

4. Ділянки, де може змінюватися послідовність нуклеотидів, називаються мутонами.

5. Існують функціональні та структурні гени. Структурні гени кодують синтез білкової молекули. Розрізняють структурні гени, що кодують структурні білки, так і ферментні білки, а також гени з інформацією про синтез тРНК, рРНК та ін.

6. Функціональні гени не кодують білок, а контролюють та спрямовують діяльність структурних генів.

7. Розташування триплетів нуклеотидів у структурних генах коллін єарно відповідає розташуванню амінокислот в молекулі білка.

8. Ділянки молекули ДНК, що входять до складу гена, здатні до відновлення, тобто. до репарації, у зв'язку з цим, не всі зміни послідовності нуклеотидів у ділянці ДНК ведуть до мутацій.

9. Генотип складається з окремих генів (дискретен), але функціонує як єдине ціле, т.к. гени здатні взаємодіяти, впливати один на одного. На функцію генів впливають чинники як внутрішньої, і зовнішнього середовища.

Ген має низку властивостей:

Дискретність дії;

Стабільність (постійність);

Передача спадкової інформації у незмінному вигляді, за відсутності мутації;

Лабільність (зміна) генів, пов'язана з їхньою здатністю до мутацій;

Специфічність – кожен ген обумовлює розвиток певної ознаки;

Плейотропія – один ген може відповідати за кілька ознак;

Експресивність – ступінь вираженості ознаки;

Пенентратність - частота прояву гена серед його носіїв.

Геном людини містить близько 30 тисяч генів. Одні з них активні, інші заблоковані. Весь обсяг генетичної інформації перебуває під суворим контролем регуляторних механізмів. Усі гени взаємопов'язані між собою, утворюючи єдину систему. Регуляція їхньої активності здійснюється за складними механізмами.

Сюди включаються процеси регуляції активності генів на етапах транскрипції (до, під час, після неї), трансляції (до, під час, після неї), а також узгодженого каскадного групового регулювання роботи генів (їх експресії), участі в даному процесігормонів (сигнальних речовин); хімічної модифікації ДНК (рис.8).

Рис. 8. Схема регуляції транскрипції структурних генів у прокаріотичної клітини на кшталт індукції.

Експресія (прояв активності гена) окремого гена залежить від того, в якому стані даний гензнаходиться. З цієї причини існує різна пенінт рантності(відсотковий кількісний фенотипічний прояв

гена) та експресивності (ступінь вираженості гена). Ці поняття були вперше введені в генетику М.В. Тимофєєвим-Рессовським. Конкретний генотип людини визначається фенотиповим ступенем виразності патологічної ознаки, детермінованим певним геном (експресивністю), навіть аж до відсутності клінічної картинипатології за наявності в генотипі мутантних алелів.

Лексико-граматичні завдання:

Завдання №1.Замініть придаткові визначальні причетні обороти.

1. Ген - одиниця спадковості, що визначає розвиток будь-якої однієї ознаки.

2. Гени, що знаходяться в хромосомах, займають певне місце – локус.

3. Реалізацію інформації, яка закодована в гені, подають у вигляді схеми.

4. Ген – частина молекули ДНК, яка відрізняється певною послідовністю нуклеотидів.

5. Кількість нуклеотидів, що входять до складу різних генів, є різною.

Завдання №2.Замініть пасивні конструкції активними.

1. Синтез білкової молекули кодується структурними генами.

2. Діяльність структурних генів контролюється та спрямовується функціональними генами.

щовпливає на що Гени здатні впливати один на одного.на функцію чоговпливають фактори внутрішнього та зовнішнього середовища

Завдання №3. Напишіть речення, розкриваючи дужки.

1. Екзонні ділянки генів кодують (Первинна структура білка).

2. Інтронні ділянки гена грають (Структурна, допоміжна роль).

3. Ген - частина молекули ДНК, яка є (функціональна одиниця спадкової інформації).

Завдання №4. прочитайте частину тексту про базових положенняхтеорії генів і напишіть визначення: а) локусу, б) реконів, в) мутонів.

Завдання№5. Використовуючи цю інформаціюзакінчити фрази.

1. Стабільністю прийнято називати 1.... спадкову властивістьгенів... інформацію в незмінному

2. Лабільність генів - це... 2.... ступінь виразності

ознаки.

3. Пенентральність генів – це 3.... частота прояву гена

серед його носіїв.

4. Експресивність генів - ... 4.... пов'язана з їх здібностями до

мутаціям

Рішення типовихзавдань

1. Ділянка структурного гена має таку послідовність нуклеотидів:

АТА-ЦІА-А1^-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА

АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Використовуючи словник генетичного коду, визначте:

а) яку послідовність нуклеотидів матиме про-іРНК, що транскрибується з цієї ділянки;

б) відомо, що кодони 3,4,5,9,10,11,12 у про-іРНК входить до складу інтронів. Яку послідовність матиме іРНК;

в) яку послідовність амінокислот матиме фрагмент білка, що кодується вказаною ділянкою гена;

г) напишіть, які антикодони мають бути у тРНК, які забезпечують синтез цього фрагмента білка.

2. Ділянки структурних генів у про- та еукаріотів мають подібні послідовності нуклеотидів:

ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Слід зазначити, що послідовності нуклеотидів АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА та ГГА-АЦА-АТА кодують інтронні ділянки еукаріотів. Визначте:

а) послідовність нуклеотидів у первинному транскрипті у еукаріотів;

б) як прийнято називати дозрівання іРНК? Визначте нуклеотидну послідовність іРНК.

в) яка відмінність у послідовності амінокислот у білках у прокаріотів та еукаріотів. Поясніть причину цієї відмінності.

Етапи реалізації генетичної інформації - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Етапи реалізації генетичної інформації" 2017, 2018.

1.5. Етапи реалізації генетичної інформації у клітині

Важливо важливим властивістюгенетичної інформації є її здатність до перенесення (передачі) як у межах однієї клітини, так і від батьківської клітини до дочірніх або між клітинами різних індивідуумів у процесах клітинного поділута розмноження організмів (див. також гл. 3). Що ж до напрямів внутрішньоклітинного перенесення генетичної інформації, то разі ДНК-содержащих організмів пов'язані з процесами реплікації молекул ДНК, тобто. з копіюванням інформації (див. підрозд. 1.2), або з синтезом молекул РНК (транскрипцією) та утворенням поліпептидів (трансляцією) (рис. 1.14). Як відомо, кожен із зазначених процесів здійснюється на основі принципів матричності та комплементарності.

Уявлення про перенесення генетичної інформації за схемою ДНК → РНК → білок прийнято називати "центральною догмою" молекулярної біології. Поряд із цим (найпоширенішим) напрямом перенесення, який іноді позначають як " загальне перенесення", відома й інша форма реалізації генетичної інформації ("спеціалізоване перенесення"), виявлена ​​у РНК-вірусів. У цьому випадку спостерігається процес, що отримав назву зворотної транскрипції, при якому первинний генетичний матеріал (вірусна РНК), що проник у клітину-господаря, служить матрицею для синтезу комплементарної ДНК за допомогою ферменту зворотної транскриптази (ревертази), що кодується вірусним геномом.

спеціалізоване перенесення генетичної інформації здійснюється за схемою РНК → ДНК → РНК → білок.

Транскрипція є першим етапом загального перенесення генетичної інформації і є процесом біосинтезу молекул РНК за програмою ДНК. Принциповий зміст цього процесу полягає в тому, що інформація структурного гена (або декількох розташованих поруч генів), записана у формі нуклеотидної послідовності кодуючої нитки ДНК в орієнтації 3"→ 5", переписується (транскрибується) в нуклеотидну послідовність молекули РНК, що синтезується в напрямку 5 " → 3" на основі комплементарної відповідності дезоксирибонуклеотидів матричної нитки ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 1.15). Як продукти транскрипції (транскриптів) можна розглядати всі типи молекул РНК, що беруть участь у біосинтезі білків у клітині, — матричні (інформаційні) РНК (мРНК, або іРНК), рибосомні РНК (рРНК), транспортні РНК (тРНК), малі ядерні РНК ( мяРНК).

Процес транскрипції забезпечується комплексною дієюряду ферментів, до яких відноситься РНК-полімераза, що представляє собою складний білок, Що складається з декількох субодиниць і здатний виконувати кілька функцій. На відміну від прокаріотів (бактерій), у клітинах яких є РНК-полімераза лише одного типу, що забезпечує синтез різних молекулРНК, у еукаріотів встановлено наявність ядерних РНК-полімераз трьох типів (I, II, III), а також РНК-полімераз клітинних органел, що містять ДНК (мітохондрій, пластид). РНК-полімераза I знаходиться в ядерці і бере участь у синтезі більшості молекул рРНК, РНК-полімераза II забезпечує синтез мРНК та мяРНК, а РНК-полімераза III здійснює синтез тРНК та одного варіанта молекул рРНК.

Транскрипція поділяється на три основні стадії - ініціацію (початок синтезу РНК), елонгацію (подовження полінуклеотидного ланцюжка) та термінацію (закінчення процесу).

Ініціація транскрипції залежить від попереднього специфічного зв'язування РНК-полімерази з відомою нею короткою нуклеотидною послідовністю в ділянці молекули ДНК (промотор), розташованому перед стартовою точкою структурного гена, з якої починається синтез РНК. Промотори різних структурних генів можуть бути ідентичними або містять послідовності нуклеотидів, що відрізняються один від одного, що, ймовірно, визначає ефективність транскрибування окремих генів і можливості регуляції самого процесу транскрипції (див. також підрозд. 1.6). Промотори багатьох генів прокаріотів мають у своєму складі універсальну послідовність 5"-ТАТААТ-3" (блок Прибнова), яка розташовується перед стартовою точкою на відстані близько 10 нуклеотидів і розпізнається РНК-полімеразою. Інша відносно поширена послідовність цих організмів (5"-ТТГАЦА-3") зазвичай виявляється на відстані приблизно 35 нуклеотидів від стартової точки. У геномах еукаріотів функцію впізнавання для РНК-полімерази II можуть виконувати універсальні послідовності ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ і що складаються з нуклеотидів Г, що повторюються, і Ц (ГЦ-мотиви). При цьому та чи інша промоторна область може містити або одну з зазначених послідовностейабо комбінацію двох чи трьох таких послідовностей.

Специфічне міцне зв'язування РНК-полімерази з тією чи іншою впізнаваною нею ділянкою промоторної області дозволяє їй розпочати процес розплетення молекули ДНК аж до стартової точки, з якою вона починає здійснювати полімеризацію рибонуклеотидів з використанням як матриці однониткового 3"-5"-фрагменту ДНК.

Подальше розплетення ДНК структурного гена супроводжується подовженням синтезованого полірибонуклеотиду (елонгацією нитки РНК), що триває до досягнення РНК-полімеразою області термінатора. Останній є нуклеотидною послідовністю ДНК, яка впізнається РНК-полімеразою за участю інших білкових факторів термінації, що призводить до закінчення синтезу транскрипту та його від'єднання від матриці. Найчастіше термінатор перебуває у кінці структурного гена, забезпечуючи синтез однієї моногенної молекули мРНК. При цьому у прокаріотів можливий синтез полігенної молекули мРНК, що кодує синтез двох і більшого числаполіпептидних ланцюжків. Відбувається безперервне транскрибування кількох розташованих поруч один з одним структурних генів, що мають один загальний термінатор. Полігенна мРНК може містити у своєму складі нетрансльовані міжгенні області (спейсери), що розділяють кодуючі ділянки для окремих поліпептидів, що, ймовірно, забезпечує подальший поділ і поліпептидів, що синтезуються.

Оскільки структурні гени еукаріотів мають переривчасту (мозаїчну) будову, то їх транскрипція має специфічні особливості, що відрізняють її від транскрипції у прокаріотів. У разі еукаріотичного гена, що кодує синтез поліпептиду, цей процес починається з транскрибування всієї нуклеотидної послідовності, що містить як екзонні, так і інтронні ділянки ДНК. Утворилася у своїй молекула мРНК, що відбиває структуру всього мозаїчного гена, яку називають гетерогенної ядерної РНК (гяРНК) чи проматричної РНК (про-мРНК), потім зазнає процес дозрівання (процесинг мРНК).

Процесингполягає у ферментативному розрізанні первинного транскрипта (гяРНК) з подальшим видаленням його інтронних ділянок та возз'єднанням (сплайсингом) екзонних ділянок, що формують безперервну послідовність, що кодує зрілої мРНК, яка надалі бере участь у трансляції генетичної інформації. Як приклад, можна розглянути схему процесингу мРНК, що синтезується при транскрипції гена β-глобінового ланцюжка (рис. 1.16), структура якого обговорювалася раніше (див. рис. 1.13).

У процесингу беруть участь і короткі молекули мяРНК, що складаються приблизно зі 100 нуклеотидів, які є послідовністю, що є комплементарними послідовностями на кінцях інтронних ділянок гяРНК. Спарювання комплементарних нуклеотидів мяРНК і гяРНК сприяє згортанню в петлю інтронних ділянок і зближенню відповідних екзонних ділянок гяРНК, що, у свою чергу, робить їх доступними для різання ферментів (нуклеаз). Отже, молекули мяРНК забезпечують правильність вирізування інтронів із гяРНК.

Під час процесингу відбувається також модифікація 5"-і 3"-кінців зрілої молекули мРНК, що формується. Принципове значення цього процесу можна розглянути на схемах

процесингу гена β-глобіну людини (див. рис. 1.16) та повної нуклеотидної послідовності зрілої мРНК, що утворюється в результаті цього процесу. Як видно із рис. 1.17, на 5"-кінці послідовності є коротка нетрансльована (лідируюча) ділянка, що складається з 17 триплетів, які марковані цифрами зі знаком "мінус". ). Модифікація цієї ділянки полягає в утворенні 5 "-кінцевого кепа (від англ, cap -ковпачок, шапочка), що є залишком 7-метилгуанозину, приєднаний до сусіднього нуклеотиду незвичайним способом(за допомогою трифосфатного зв'язку). Передбачається, що основна функція кепа пов'язана з розпізнаванням специфічної послідовності молекули рРНК, що входить до складу рибосоми, що забезпечує точне прикріплення всієї лідируючої ділянки молекули мРНК певній ділянціцієї рибосоми та ініціацію процесу трансляції. Можливо також, що кеп оберігає зрілу мРНК від передчасного ферментативного руйнування під час транспортування її з ядра в цитоплазму клітини.

Модифікація 3 "-кінця мРНК β-глобіну, що також має коротку нетрансльовану послідовність, що кодується відповідною областю третього екзону β-гену (див. рис. 1.16), пов'язана з утворенням поліаденілового (полі а)"хвоста" молекули, що складається з 100 - 200 послідовно з'єднаних залишків аденілової кислоти. Для дії ферменту, що здійснює поліаденілювання, не потрібна матриця, але потрібна присутність на 3"-кінці мРНК сигнальної послідовності ААУААА (див. рис. 1.17). Передбачається, що поліаденіловий "хвіст" забезпечує транспорт зрілої мРНК до рибосоми, захищаючи її від ферменту але сам поступово руйнується ферментами цитоплазми, що відщеплюють один за одним кінцеві нуклеотиди.

Трансляція як черговий етап реалізації генетичної інформації полягає у синтезі поліпептиду на рибосомі, при якому як матрицю використовується молекула мРНК (зчитування інформації у напрямку 5" → 3"). Слід зазначити, що у клітинах прокаріотів, які мають справжнього ядра з оболонкою, хромосомний генетичний матеріал (ДНК) практично перебуває у цитоплазмі, що визначає безперервний характер взаємозв'язку процесів транскрипції та трансляції. Іншими словами, лідируючий 5"-кінець молекули мРНК, синтез якої ще не завершений, вже здатний вступати в контакт з рибосомою, ініціюючи синтез поліпептиду, тобто транскрипція і трансляція йдуть одночасно. Що стосується еукаріотів, то процеси транскрипції їх ядерної генетичної інформації та її трансляції повинні бути розділені в часі у зв'язку з процесингом молекул РНК та необхідністю їх подальшого пакування та

Рис. 1.17. Нуклеотидна послідовність зрілої мРНК – глобінового гена людини. Послідовність починається з 7-метилгуанозина на 5"-кінці (кеп-сайт), за яким слідує коротка нетрансльована ділянка РНК. Перший кодон (АУГ), що транслюється, виділений шрифтом і позначений цифрою 0, оскільки амінокислота (метіонін), що кодується ним, надалі вищеплюється з поліпеп (першою амінокислотою зрілого білка буде валин, що кодується ГУГ.) Виділено також стоп-кодон УАА (кодон 147), на якому закінчується трансляція (поліпептид складається з 146 амінокислот), і сигнальна послідовність для поліаденілювання (ААУААА) на транспорт каріоплазми до цитоплазми за участю спеціальних транспортних білків.

Як і у випадку транскрипції, процес трансляції можна умовно поділити на три основні стадії – ініціацію, елонгацію та термінацію.

Для ініціації трансляції важливо важливе значеннямає специфічність структурної організаціїгрупи ідентичних рибосом (полірибосоми, або полісоми), яка може брати участь у синтезі первинної структури певної білкової молекули (поліпептиду), що кодується відповідною мРНК. Як відомо, окрема рибосома є клітинною органелою, що складається з молекул рРНК, які визначають її специфічність, і з білків. У складі рибосоми є 2 структурні субодиниці (велика і мала), які можна диференціювати на підставі їхньої здатності по-різному осаджуватися при ультрацентрифугуванні препаратів очищених рибосом із зруйнованих клітин, тобто за коефіцієнтом седиментації (величині 5). При певних умову клітині може відбуватися поділ (дисоціація) цих двох субодиниць чи його об'єднання (асоціація).

Рибосоми прокаріотів, а також мітохондрій і хлоропластів складаються з великої і малої субодиниць з величинами 505 і 305 відповідно, тоді як у еукаріотів ці субодиниці мають інші розміри (605 і 405). Оскільки процес трансляції детальніше було досліджено у бактерій, то найчастіше його розглядають у зв'язку зі структурою рибосом цих організмів. Як видно із рис. 1.18, рибосома містить 2 ділянки, що мають пряме відношеннядо ініціації трансляції, позначені як P-ділянка (аміноацильна) та Р-ділянка (пептидильна), специфічність яких визначається поєднанням відповідних областей субодиниць 505 і 305. При дисоціації субодиниць рибосоми ці ділянки стають "недобудованими", що призводить до зміни їх функціональної специфічності.

У процесі трансляції беруть участь також молекули тРНК, функції яких полягають у транспортуванні амінокислот із цитозолю (цитоплазматичного розчину) до рибосом. Молекула тРНК, що має вторинну структуру у формі "конюшинного листа", містить у своєму складі трійку нуклеотидів (антикодон), яка забезпечує її комплементарне з'єднання з відповідним кодоном (триплетом) молекули мРНК, що кодує синтез поліпептиду на рибосомі, і на акцептор -кінці молекули), до якого приєднується певна амінокислота (див. рис. 1.7) Процес приєднання кожної з 20 амінокислот до акцепторного кінця відповідної тРНК пов'язаний з її активацією певним варіантом ферменту аміноацил-тРНК-

синтетази з використанням енергії аденозинтрифосфатів ( молекул АТФ). Специфический комплекс тРНК і амінокислоти, що утворився при цьому, який отримав назву аміноацил-тРНК, переміщається потім до рибосоми і бере участь у синтезі поліпептиду.

Ініціація трансляції забезпечується точним з'єднанням лідируючого 5"-кінця молекули мРНК з певною областю малої субодиниці дисоційованої рибосоми таким чином, що в "недобудованій" Р-дільниці виявляється стартовий (ініціювальний) кодон АУГ цієї молекули (рис. 1.19). Функціональна особливістьтакої Р-ділянки полягає в тому, що вона може бути зайнята тільки ініціюючою аміноацил-тРНК з антикодоном УАЦ, яка у еукаріотів несе амінокислоту метіонін, а у бактерій — формілметіонін. Оскільки синтез пояїпептиду завжди починається з N-кінця і наростає у напрямку до С-кінця, то всі білкові молекули, що синтезуються в клітинах прокаріотів, повинні починатися з N-формілметіоніну, а у еукаріотів — з N-метіоніну. Однак, надалі ці амінокислоти ферментативно вислизають під час процесингу білкової молекули (див. рис. 1.17).

Після утворення ініціюючого комплексу в "недобудованій" Р-ділянці (див. рис. 1.19) стає можливим возз'єднання малої та великої субодиниць рибосоми, що призводить до "добудовування" Р-ділянки та A-ділянки. Лише після цього наступна аміноацил-тРНК може займати A-ділянку на основі принципу

комплементарності її антикодону відповідного кодону мРНК, що знаходиться на цій ділянці (див. рис. 1.19).

Процес елонгації починається з утворення пептидного зв'язку між ініціюючою (першою в ланцюжку) і наступною (другою) амінокислотами. Потім відбувається переміщення рибосоми на один триплет мРНК у напрямку 5"→ 3", що супроводжується від'єднанням ініціює тРНК від матриці (мРНК), від ініціюючої амінокислоти та виходом її в цитоплазму. При цьому друга за рахунком аміноацил-тРНК пересувається з A-ділянки в Р-дільницю, а звільнений А-Ділянка займається наступною (третьою за рахунком) аміноацил-тРНК. Процес послідовного пересування рибосоми "триплетними кроками" по нитці мРНК повторюється, супроводжуючись звільненням тРНК, що надходять до Р-ділянки, і нарощуванням амінокислотної послідовності поліпептиду, що синтезується.

Термінація трансляції пов'язана з входженням одного з трьох відомих стоп-триплетів мРНК в Л-ділянку рибосоми. Оскільки такий триплет не несе інформації про якусь амінокислоту, але впізнається відповідними білками термінації, процес синтезу поліпептиду припиняється і він від'єднується від матриці (мРНК).

Після виходу з функціонуючої рибосоми вільний 5"-кінець мРНК може вступати в контакт з наступною рибосомою полісомної групи, ініціюючи синтез ще одного (ідентичного) поліпептиду. Отже, розглянутий рибосомний цикл послідовно повторюється за участю декількох рибосом однієї і тієї ж полісоми, в результаті чого синтезується група ідентичних поліпептидів

Посттрансляційна модифікація поліпептиду являє собою завершальний етап реалізації генетичної інформації в клітині, що призводить до перетворення синтезованого поліпептиду на функціонально активну молекулу білка. При цьому первинний поліпептид може зазнавати процесингу, що полягає в ферментативному видаленні амінокислот, що ініціюють, відщепленні інших (непотрібних) амінокислотних залишків і в хімічній модифікації окремих амінокислот. Потім відбувається процес згортання лінійної структуриполіпептиду за рахунок утворення додаткових зв'язків між окремими амінокислотами та формування вторинної структури білкової молекули (рис. 1.20). На цій основі формується ще складніша третинна структура молекули.

У разі білкових молекул, що складаються більш ніж з одного поліпептиду, відбувається утворення комплексної четвертинної структури, в якій поєднуються третинні структури окремих поліпептидів. Як приклад можна розглянути модель молекули гемоглобіну людини (рис. 1.21), що складається з

двох α-ланцюжків та двох β-ланцюжків, які формують стабільну тетрамерну структуру за допомогою водневих зв'язків. Кожен із глобінових ланцюжків містить також молекулу тема, який у комплексі із залізом здатний пов'язувати молекули кисню, забезпечуючи їх транспортування еритроцитами крові.

Базисні терміни та поняття:акцепторний кінець тРНК; аміноацил-тРНК; антикодон; гяРНК (про-РНК); ініціація транскрипції та трансляції; ініціююча аміноацил-тРНК та амінокислота; ініціювальний кодон мРНК; комплементарність; кеп; лідируючий 5"-кінець мРНК; матричність; модифікація кінців молекули мРНК; моногенна молекула мРНК; мРНК (іРНК); мяРНК; зворотна транскриптаза (ревертаза); зворотна транскрипція; загальний перенесення; перенесення (передача) інформації; полігенна молекула мРНК; (полісома), посттрансляційна модифікація поліпептиду, промотор, процесинг РНК і поліпептиду, рибосома, РНК-полімераза, рРНК, спеціалізоване перенесення, сплайсинг, стартова точка транскрипції, термінатор, термінація транскрипції та трансляції, транскрипт, транскрипція генет; елонгація транскрипції та трансляції;A-ділянка рибосоми;Р-ділянка рибосоми.

Генетична інформація, що зберігається в ДНК, реалізується в процесі біосинтезу білка.

ДНК зосереджена у ядрі клітини, а білки синтезуються у цитоплазмі на рибосомах. Для біосинтезу білка необхідно доставити генетичну інформацію з клітинного ядра до рибосом. Роль посередника, що забезпечує передачу генетичної інформації від ядра клітини до рибосом, виконують матричні, або інформаційні РНК (мРНК, або іРНК).

Матричні РНК є полінуклеотидними ланцюжками з молекулярними масами від 150 тисяч до 5 мільйонів дальтон. Вони синтезуються у ядрі клітини. Під час біосинтезу мРНК генетична інформація «переписується» з невеликої ділянки ДНК, що включає один або кілька генів, на молекулу мРНК. Синтез матричної РНК на значній нитці ДНК отримав назву транскрипції (лат. "transcriptio" - переписування).

Процес транскрипції генетичної інформації подібний до процесу реплікації ДНК. Біосинтез мРНК починається з розплетення подвійної спіралі ДНК на невеликій ділянці.

Вільні рибонуклеозидтрифосфати за допомогою Водневих зв'язків приєднуються до нуклеотидів розплетеної ділянки ДНК відповідно до принципу комплементарності азотистих основ.

Утворення мРНК відбувається шляхом перенесення від рибонуклеозидтрифосфатів залишків рибонуклеотидів до третього атома вуглецю рибози кінцевого нуклеотиду синтезованого полінуклеотидного ланцюга. При цьому відбувається розрив макроергічних зв'язків у молекулах рибонуклеозидтрифосфатів з виділенням пірофосфату, що забезпечує процес транскрипції необхідною енергією. Біосинтез мРНК каталізує фермент РНК-полімеразу.

Велику роль процесі транскрипції грають спеціальні білки, які тонко регулюють його хід.

Синтезована в процесі транскрипції мРНК надходить з ядра клітини в рибосому - цитоплазматичну серганеллу, хімічної природинукдеопротеїд - складний білок, небілковим компонентом якого є рибонуклеїнова кислота.

РНК, що беруть участь у побудові тіла рибосоми («рибонуклеїнова кислота» + гр. «Сома» - тіло), називають рибосомальними (рРНК). Рибосоми побудовані з двох субчастинок - великої та малої. У побудові кожної з них беруть участь велика кількістьрізних білків та різні рРНК. Молекулярна маса рибосомальних РНК коливається від 55000 до 1600000 дальтонів і більше. Синтез рРНК, як і синтез мРНК, відбувається у ядрі клітини і контролюється ДНК.

Матрична РНК закріплюється у рибосомі. Тепер рибосомі необхідно відтворити отриману інформацію, записану в нуклеотидній послідовності мРНК чотирилітерним «мовою» азотистих основ, на двадцятилітерному «мові» у вигляді послідовності амінокислот в поліпептидному ланцюжку білка, що синтезується. Процес перекладу генетичної інформації з "мови" азотистих основ на "мову" амінокислот називають трансляцією (лат. "translation" - передача).

Доставку амінокислот до рибосом забезпечують транспортні РНК (тРНК). Молекулярні маситРНК відносно невеликі і варіюють від 17000 до 35000 дальтон. Синтезом тРНК у клітині управляє ДНК.

Процес біосинтезу білка потребує енергетичних витрат. Для того, щоб амінокислоти з'єдналися один з одним пептидним зв'язком, їх необхідно активувати. Амінокислоти активуються за участю АТФ та тРНК. Ці реакції каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетазу.

Реакції активування кожної з протеїногенних амінокислот каталізуються своєю аміноацил-тРНК-синтетазою.

Ці ферменти дозволяють амінокислотам і тРНК безпомилково пізнавати один одного. В результаті, кожна амінокислота приєднується до конкретної тРНК. Транспортні РНКназивають по амінокислоті, що приєднується, наприклад: валінова тРНК, аланінова тРНК, серинова тРНК і т. д.

Полінуклеотидні ланцюжки тРНК мають просторову структуру, що нагадує за формою конюшинний лист. До одного з кінців тРНК приєднується амінокислота. На іншому боці молекули тРНК в одній із петель «конюшинного листа» є триплет нуклеотидів, званий антикодоном. Цей антикодон комплементарний одному з триплетів мРНК – кодону. Генетичний код кодону відповідає амінокислоті, сполученій з тРНК, що має комплементарний антикодон.

Кодони в зрілій мРНК слідують один за одним безперервно: вони не відокремлені один від одного некодуючими ділянками і не перекриваються.

Аміноацил-тРНК послідовно надходять у рибосоми.

Тут щоразу між комплементарними антикодоном тРНК та кодоном мРНК виникають водневі зв'язки. При цьому аміногрупа наступної амінокислоти взаємодіє з

Карбоксильною групою попередньої амінокислоти з утворенням пептидного зв'язку.

Синтез будь-якого білка у клітині завжди починається з N-кінця. Після утворення між амінокислотами пептидного зв'язку рибосома переміщається вздовж ланцюга мРНК на один кодон. Коли рибосома досягає ділянки мРНК, що містить один із трьох «безглуздих» триплетів - УАА, УАГ або УГА, подальший синтез поліпептидного ланцюга обривається. Для цих триплетів у клітині немає тРНК з комплементарними антикодонами. "Безглузді" триплети розташовуються в кінці кожного гена і показують, що синтез даного білка на цьому необхідно завершити. Тому ці триплети називають термінуючими (лат. Terminalis - кінцевий). Після закінчення процесу трансляції генетичного коду поліпептидний ланцюжок залишає рибосому і формує свою просторову структуру, після чого білок набуває здатності до реалізації властивої йому біологічної функції. Процес реалізації генетичної інформації в результаті транскрипції та трансляції називають експресією (лат. «expressio» – вираз) гена.

Біосинтез білка у клітині протікає не так на окремої рибосомі.

Матрична РНК зв'язується одночасно з кількома рибосомами, при цьому утворюється полірибосомальний комплекс. В результаті в клітці відбувається синтез відразу кількох однакових молекулбілка.

1. Дайте визначення понять.
Генетичний код - Набір поєднань з трьох нуклеотидів, що кодують 20 типів амінокислот, що входять до складу білка.
Триплет– три нуклеотиди, що стоять поспіль.
Антикодон- Ділянка в тРНК, що складається з трьох неспарених нуклеотидів, що специфічно зв'язується з кодоном мРНК.
Транскрипція - Процес синтезу РНК з використанням ДНК в якості матриці, що відбувається у всіх живих клітинах.
Трансляція- Процес синтезу білка з амінокислот на матриці іРНК (мРНК), здійснюваний рибосомою.

2. Порівняйте поняття «генетична інформація» та «генетичний код». У чому їх принципові відмінності?
Генетична інформація – інформація про будову білків, закодована за допомогою послідовності нуклеотидів – генетичного коду – у генах.
Інакше кажучи, генетичний код – принцип запису генетичної інформації. Інформація – це відомості, а код – те, як відомості передаються.

3. Заповніть кластер "Властивості генетичного коду".
Властивості: триплетність, однозначність, надмірність, неперекриваність, полярність, універсальність.

4. У чому полягає біологічний сенснадмірності генетичного коду?
Так як на 20 амінокислот, що входять до складу білків, припадає 61 кодон, деякі амінокислоти кодуються більш ніж одним кодоном (т.зв. виродженість коду).
Така надмірність підвищує надійність коду та всього механізму біосинтезу білка.

5. Поясніть, що таке реакції матричного синтезу. Чому їх так називають?
Це синтез складних полімерних молекул у живих клітинах, що відбувається на основі закодованої на матриці (молекулі ДНК, РНК) генетичної інформації клітини. Матричний синтезвідбувається при реплікації ДНК, при транскрипції та трансляції. Він є основою процесу відтворення собі подібного.

6. Замалюйте схематично молекулу тРНК та підпишіть її основні частини.

7. Заповніть таблицю.

РОЛЬ ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН У БІОСИНТЕЗІ БІЛКУ

8. Один із ланцюгів ДНК має наступну послідовність нуклеотидів:
Ц-Т-Т-А-А-Ц-А-Ц-Ц-Ц-Ц-Т-Г-А-Ц-Г-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-Г-Г-Ц- Ц-Г
Напишіть структуру іРНК, синтезованої цього ланцюга. Яким буде амінокислотний склад фрагмента білка, синтезованого на основі цієї інформації у рибосомі?
іРНК
Г-А-А-У-У-Г-У-Г-Г-Г-Г-А-Ц-У-Г-Ц-А-Ц-У-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Г- Г-Ц-
Поліпептидний ланцюг
Глу-ле-трп-глі-лей-гіс-цис-ала-глі.

9. Зобразіть схематично процес синтезу білка.

10. Заповніть таблицю.

ЕТАПИ РЕАЛІЗАЦІЇ СПАДЩОЇ ІНФОРМАЦІЇ У КЛІТЦІ

11. Прочитайте § 2.10 і підготуйте відповідь на запитання: «Чому розшифрування генетичного коду є одним із найважливіших наукових відкриттівсучасності?»
Розшифровка генетичного коду, т. е. визначення «сенсу» кожного кодону і тих правил, якими зчитується генетична інформація, вважається однією з найяскравіших досягнень молекулярної біології.
Доведено, що код є універсальним для живого. Відкриття та розшифрування коду може допомогти знайти шляхи лікування різних хромосомних, геномних захворювань, вивчити механізм процесів обміну речовин на клітинному та молекулярному рівні.
Стрімко накопичується велика кількістьекспериментальні дані. Почався новий етапвивчення ДНК. Молекулярна біологіязвернулася до набагато складніших надмолекулярних та клітинних систем. Виявилося можливим підійти до проблем, пов'язаних із молекулярною генетикоюеукаріотів, з явищами онтогенезу.

12. Виберіть правильну відповідь.
Тест 1.
Синтез білка не може відбуватися:
2) у лізосомі;

Тест 2.
Транскрипція – це:
3) синтез іРНК на ДНК;

Тест 3.
Усі амінокислоти, що входять до складу білка, кодуються:
4) 64 триплетами.

Тест 4.
Якщо для синтезу білка взяти рибосоми морського окуня, ферменти та амінокислоти сірої ворони, АТФ прудкої ящірки, іРНК дикого кролика, то синтезуватиметься білок:
4) дикого кролика.

13. Встановіть відповідність між властивостями генетичного коду та їх характеристиками.
Властивості генетичного коду
1. Триплетність

3. Однозначність
4. Універсальність
5. Неперекриваність
6. Полярність
Характеристика
A. Кожен нуклеотид входить до складу лише одного триплету
Б. Генетичний код однаковий у всіх живих організмів Землі
B. Одну амінокислоту кодують три нуклеотиди, що стоять поспіль.
Р. Деякі триплети визначають початок та кінець трансляції
Д. Кожен триплет кодує лише одну певну амінокислоту
Е. Амінокислота може визначатися більш ніж одним триплетом.

14. Вставте елемент, що не вистачає.
Нуклеотид – Літера
Триплет – Слово
Ген – Пропозиція

15. Поясніть походження та загальне значенняслова (терміну), спираючись на значення коріння, його складових.

16. Виберіть термін та поясніть, наскільки його сучасне значеннявідповідає первісному значенню його коріння.
Вибраний термін – транскрипція.
Відповідність – термін відповідає первісному значенню, оскільки йде перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК.

17. Сформулюйте та запишіть основні ідеї § 2.10.
Генетична інформація у живих організмів записано за допомогою генетичного коду. Код – це набір поєднань із трьох нуклеотидів (триплетів), що кодують 20 типів амінокислот, що входять до складу білка. Код має властивості:
1. Триплетність
2. Виродженість (надмірність)
3. Однозначність
4. Універсальність
5. Неперекриваність
6. Полярність.
Процеси, з допомогою яких синтезуються складні полімерні молекули у живих клітинах, відбуваються з урахуванням закодованої на матриці (молекулі ДНК, РНК) генетичної інформації клітини. Матричний синтез – це реплікація ДНК, транскрипція та трансляція.

У першій чверті XX ст. було показано, що елементарні успадковані ознаки обумовлені матеріальними одиницями спадковості - генами, локалізованими в хромосомах, де вони розташовуються послідовно один за одним лінійному порядку. На цій основі Т. X. Морган був розроблений хромосомна теорія спадковості,за що він отримав у 1933 р. Нобелівську премію з фізіології та медицини «за відкриття, пов'язані з участю хромосом у спадковості».

Вчені намагалися визначити і «продукти» діяльності генів, тобто ті молекули, які синтезуються у клітинах під їх контролем. У роботах Ефруссі, Бідла та Татума напередодні Другої світової війни була висунута ідея про те, що гени продукують білки, але для цього ген повинен зберігати інформацію для синтезу певного білка (ферменту). Складний механізм реалізації інформації, укладеної в ДНК, та її переведення у форму білка було розкрито лише у 60-ті роки минулого століття.

ГЕНЕТИЧНИЙ КІД.Уявлення у тому, що у гені закодована інформація про первинної структурі білка, було викладено Ф. Криком у його гіпотезі послідовності,згідно з якою послідовність структурних елементів гена визначає послідовність амінокислотних залишків у синтезованому поліпептидному ланцюгу. Автор гіпотези припускав, що код, швидше за все триплетен, що одиниця, що кодує, представлена ​​трьома парами основ ДНК, розташованими в певній послідовності. Дійсно, чотири пари основ ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г можуть закодувати лише 4 амінокислоти, якщо припустити, що кожна пара відповідає одній амінокислоті. Відомо, що білки складаються з 20 основних амінокислот. Якщо припустити, що кожній амінокислоті відповідають дві пари основ, можна закодувати 16 амінокислот (4 2). Цього також замало. При триплетності ж коду з чотирьох пар основ можна скласти 64 кодони (4 3), і цього більш ніж достатньо для кодування 20 амінокислот. Експериментальні докази того, що генетичний код триплетен були опубліковані в 1961 р. (Ф. Крик та ін.). У цьому ж році на V Міжнародному біохімічному конгресі в Москві М. Ніренберг та Дж. Маттей повідомили про розшифрування першого кодону (УУУ - кодону для фенілаланіну) і, що ще важливіше, запропонували метод визначення складу кодонів у безклітинній системі білкового синтезу.

Відразу виникли два питання: чи є код, що перекривається, і чи вироджений код?

Якби кодони перекривалися, то заміна однієї пари підстав призводила б до заміни відразу двох або трьох амінокислот в білку, що синтезується. Насправді цього немає, і генетичний код вважають неперекривається.

Код є виродженим,так як майже кожна амінокислота пов'язана з більш ніж одним кодоном, які визначають їх розстановку в первинній структурі поліпептидного ланцюга, що синтезується. Тільки дві амінокислоти – метіонін та триптофан – пов'язані з одиничними кодонами – АУГ та УГГ відповідно. Розстановку кожної з трьох амінокислот - аргініну, лейцину та серину - у первинній структурі поліпептидного ланцюга визначають шість кодонів тощо (див. табл. 3.2).

До особливостей генетичного коду належить також його універсальність(Він переважно однаковий для всіх живих організмів). Проте виявлено й винятки із цього правила. У 1981 р. було завершено визначення повної нуклеотидної послідовності мітохондріальної ДНК людини, що містить 16569 нуклеотидних пар. Отримані результати свідчать про те, що мітохондріальні геноми вищих і нижчих еукаріотів, що кодують приблизно один і той же набір функцій, характеризуються відмінностями в смисловому значеннідеяких кодонів, правила антикодон-кодонового впізнавання та загальної структурної організації. Так, виявилося, що, на відміну від звичайного універсального коду, кодон АУА замість ізолейцину кодує метіонін, а триплети АГА і АГГ є не аргініновими кодонами, а сигналами термінації. трансляції; триптофан кодується як триплет УГГ, так і триплет УГА, який зазвичай виконує функцію термінаторного кодону.

У генетичному коді різні кодони однієї амінокислоти, тобто кодони-синоніми, майже завжди знаходяться в тому самому квадраті і відрізняються один від одного по останньому з трьох нуклеотиду (виняток становлять лише кодони аргініну, серена і лейцину, що мають по шість кодонів , які не можуть розміститися в одному квадраті, де розміщуються всього чотири кодони). Генетичний код має лінійний порядок зчитування та характеризується колінеарністю , т. е. збігом порядку розташування кодонів в мРНК з порядком розташування амінокислот синтезується напівдипептидного ланцюга.

СИНТЕЗБІЛКА У КЛІТЦІ. Відтворення та дія генів пов'язані з матричними процесами: синтезом макромолекул-ДНК, РНК, білків. Вище вже розглядалася реплікація як процес, який би відтворення генетичної інформації. Сучасна теорія гена- досягнення молекулярної генетики - цілком спирається на успіхи біохімії у вивченні матричних процесів. І навпаки, метод генетичного аналізу робить істотний внесок у вивчення матричних процесів, які самі перебувають під генетичним контролем. Розглянемо дію гена, що забезпечує транскрипцію,або синтез РНК, та трансляцію,чи синтез білка.

ТранскрипціяДНК, це - перенесення генетичної інформації, закодованої в послідовності пар нуклеотидів, з дволанцюгової молекули ДНК на одноланцюгову молекулу РНК. При цьому матрицею для синтезу РНК служить лише один ланцюг ДНК, що називається смисловий.

У транскрипції, як і в інших матричних процесах, Розрізняють три стадії: ініціацію, елонгаціюі термінацію.Фермент, який здійснює цей процес, називають ДНК-залежною РНК-полімеразою або просто РНК~полімеразою;при цьому полімеризація полірибонуклеотиду (РНК) відбувається в напрямку від 5"- до З"-кінця зростаючого ланцюга.

Синтез ферментів та інших білків, необхідні життєдіяльності та розвитку організмів, відбувається переважно першої стадії інтерфази, на початок реплікації ДНК.

В результаті транскрипції спадкова інформація, записана в ДНК гена, транскрибується(переписується) в нуклеотидну послідовність морок. Синтез мРНК починається з ділянки ініціації транскрипції промотором.Промотор розташований перед геном і включає близько 80 пар нуклеотидів (у вірусів і бактерій ця ділянка відповідає приблизно одному витку спіралі ДНК і включає близько 10 пар нуклеотидів). У нуклеотидних послідовностях промоторів часто зустрічаються пари AT, тому їх називають ТАТА-послідовностями.

Транскрипція здійснюється за допомогою ферментів РНК-полімераз. У еукаріотів відомі три типи РНК-полімераз: I - відповідальний за синтез рРНК, II - за синтез мРНК; III -за синтез тРНК та низькомолекулярної рРНК - 5S РНК.

РНК-полімераза міцно зв'язується з промотором та роз'єднує нуклеотиди комплементарних ланцюгів. Потім цей фермент починає рухатися вздовж гена (молекули ДНК) і в міру роз'єднання ланцюгів веде на одній з них (смисловий) синтез мРНК, приєднуючи згідно з принципом комплементарно аденін до тиміну, урацил до аденіну, гуанін до цитозину та цитозин до гуаніну. Ті ділянки ДНК, на яких полімераза утворила мРНК, знову з'єднуються, а молекула мРНК, що синтезується, поступово відокремлюється від ДНК. Закінчення синтезу мРНК визначається ділянкою зупинки транскрипції - термінатором.Нуклеотидні послідовності промотора та термінатора впізнаються спеціальними білками, що регулюють активність РНК-полімерази.

Перед виходом з ядра до початкової частини мРНК (5"-кінцю) приєднується залишок метильованого гуаніну, званий «ковпачком», а до кінця мРНК (З"-кінцю) - близько 200 залишків аденілової кислоти. У такому вигляді зріла мРНК проходить через ядерну мембрану в цитоплазму рибосоми і з'єднується з нею. Вважають, що у еукаріотів «ковпачок» мРНК бере участь у зв'язуванні її з малою субодиницею рибосоми.

Трансляція мРНК.Це синтез білка на рибосомах, що спрямовується матрицею мРНК. При цьому інформація переводиться з чотирилітерного алфавіту нуклеїнових кислот на двадцятилітерний алфавіт амінокислотних послідовностей поліпептидних ланцюгів.

У цьому вся процесі розрізняють три стадії.

Активація вільних амінокислот – освіта аміноациладенілатіввнаслідок взаємодії амінокислот з АТФ під контролем ферментів, специфічних для кожної амінокислоти. Ці ферменти - аміноацилтРНКсинтета-зи- беруть участь і у наступній стадії.

Аміноацилування тРНК - приєднання амінокислотних залишків до тРНК шляхом взаємодії тРНК та комплексу аміноацил-тРНК-синтетази з аміноациладенілатами. У цьому кожен амінокислотний залишок приєднується до свого специфічного класу тРНК.

Власне трансляція або полімеризація амінокислотних залишків з утворенням пептидних зв'язків.

Таким чином, при трансляції послідовність розташування нуклеотидів в мРНК переводиться у відповідну, суворо впорядковану послідовність розташування амінокислот в молекулі білка, що синтезується. У процесі трансляції беруть участь мРНК, рибосоми, тРНК, аміноацил-тРНК-синтетази.

Сигналом ініціації трансляціїу про- та еукаріотів служить кодон АУТ, якщо він розташований на початку мРНК. У цьому випадку його «дізнається» спеціалізована ініціююча формілметіонінова (у бактерій) або метіонінова (у еукаріотів) тРНК. В інших випадках кодон АУГ «читається» як метіоніновий. Сигналом ініціації може бути кодон ГУГ. Ця взаємодія відбувається на рибосомі в її аміноацильному центрі (А-центрі), що знаходиться переважно на малій субодиниці рибосоми.

Взаємодія кодону АУГ інформаційної РНК, малої субодиниці рибосоми та формілметіоніл-тРНК утворює комплекс ініціації.Суть цієї взаємодії у тому, що до кодону АУГ на мРНК приєднується своїм антикодом.

УАЦ тРНК, що захопила і несе молекулу амінокислоти метіоніну (у ініціаторної бактерій є тРНК, яка переносить формілметіонін). Потім до цього комплексу, що складається з малої субодиниці рибосоми (30S *), мРНК і тРНК, приєднується велика субодиниця рибосоми (50S *). В результаті утворюється повністю зібрана рибосома, що включає одну молекулу мРНК та ініціаторну тРНК з амінокислотою. У рибосомі є аміноациловийі пептидильнийцентри.

Перша амінокислота (метіонін) спочатку потрапляє до аміноацильного центру. У процесі приєднання більшої субодини рибосоми мРНК просувається на один кодон, тРНК з аміноацильного центру переміщається в пептидильний центр. До аміноацильного центру надходить наступний кодон мРНК, який може з'єднатися з антикодоном наступної аміноацил-тРНК. З цього моменту починається друга стадія трансляції. елонгація,в ході якої багаторазово повторюється цикл приєднання молекул амінокислот до зростаючого поліпептидного ланцюга. Так, до аміноацильного центру рибосоми надходить відповідно до кодону інформаційної РНК друга молекула тРНК, яка несе чергову амінокислоту. Ця тРНК своїм антикодоном поєднується з комплементарним кодоном мРНК. Відразу ж за допомогою пептицилтрансферази попередня амінокислота (метіонін) з'єднується своєю карбоксильною групою (СООН) з аміногрупою (NH 2) нової амінокислоти. Між ними утворюється пептидна зв'язок. При цьому виділяється молекула води:

В результаті мРНК, що доставила метіонін, звільняється, а в аміноацильному центрі до тРНК виявляється вже приєднаним дипептид. Для подальшого здійснення процесу елонгації має бути звільнений аміноацильний центр, що й відбувається.

В результаті процесу трансляції комплекс дипептидил-тРНК просувається з аміноацильного центру в пептидильний. Це відбувається завдяки переміщенню рибосоми на один кодон за участю ферменту транслоказита білкового фактора елонгації. ТРНК, що звільнилася, і кодон мРНК, який був пов'язаний з нею, виходять з рибосоми. Наступна тРНК доставляє в аміноацильний центр, що звільнився, амінокислоту відповідно до кодону, що надійшли туди. Ця амінокислота за допомогою пептидного зв'язку з'єднується із попередньою. При цьому рибосома просувається ще на один кодон, і процес повторюється до тих пір, поки в аміноацильний центр не надійде один з трьох кодонів, що термінують (нонсенс-кодонів), тобто УАА, УАГ або У ГА.

Після надходження до аміноацильного центру рибосоми термінуючого кодону настає третій етап синтезу поліпептиду. термінація.Вона починається з приєднання до термінуючого кодону мРНК одного з білкових факторів термінації, що призводить до блокування подальшої елонгації ланцюга. Термінація синтезу призводить до звільнення синтезованого поліпептидного ланцюга та субодиниць рибосоми, які після звільнення дисоціюють і можуть взяти участь у синтезі наступного поліпептидного ланцюга,

Весь процес трансляції супроводжується розщепленням молекул ГТФ (гуанозинтрифосфату), причому потрібна участь додаткових білкових факторів, специфічних для процесів ініціації (факторів ініціації), елонгації (факторів елонгації) та термінації (факторів термінації). Ці білки є інтегральною частиною рибосоми, а приєднуються до неї певних етапах трансляції. У загальних рисахпроцес трансляції однаковий у всіх організмів.

Процес синтезу білка дуже складний. Крім згаданих, його перебіг забезпечують багато інших ферментів. У E. coli відкрито близько 100 генів, які контролюють синтез поліпептидів та утворення різних елементів, що входять в апарат трансляції. Оскільки молекула мРНК виявляється досить довгою, до неї може приєднатися кілька рибосом. У кожній з рибосом, пов'язаних з однією молекулою мРНК, йде синтез тих самих молекул білка, проте цей синтез знаходиться на різних стадіяхщо визначається тим, яка з них раніше і яка пізніше вступила у зв'язок з молекулою мРНК. У міру того, як рибосома просувається вздовж мРНК (від неї 5"- до З"-кінцю), що ініціює ділянку ланцюга вивільняється, на ньому відбуваєтьсязбирання наступного активного рибосомного комплексу, і на тій же матриці знову починається синтез поліпептиду. При взаємодії декількох активних рибосом з однією молекулою мРНК утворюється полірибосома,або полісома.

Поліпептидні ланцюги, що утворюються при синтезі білка, зазнають посттрансляційних перетворень і надалі виконують свої специфічні функції. Первинна структураполіпептиду визначається послідовністю розташування у ньому амінокислот. Поліпептидні ланцюги мимоволі формують певну вториннуструктуру, що визначається природою бічних груп амінокислотних залишків (α-спіраль, складчастий β-шар, випадковий клубок). Всі ці та інші структурні особливості визначають деяку фіксовану тривимірну конфігурацію, яку називають третинної(або просторовою) структурою поліпептиду,відбиває власне справи спосіб укладання даної полипептидной ланцюга в тривимірному просторі.

Білки можуть складатися з одного або кількох поліпептидних ланцюгів. У другому випадку їх називають олігомірними білками.Для них характерна певна четвертинна структура.Під цим терміном мають на увазі загальну конфігурацію білка, що виникла при асоціації всіх поліпептидних ланцюгів, що входять до її складу. Зокрема, структурна модель людського гемоглобіну включає два α-ланцюги і два β-ланцюги, які пов'язані між собою і утворюють четвертинну білкову структуру.

Точність поліпептидного синтезу залежить від правильності утворення системи водневих зв'язків між кодонами та антикодонами. До замикання чергового пептидного зв'язку за допомогою рибосом здійснюється перевірка правильності утворення пари кодон – антикодон. Пряме свідчення на користь активної ролі рибосом у контролі комплементарності кодон-антикодонового зв'язку - виявлення мутацій, що змінюють рибосомні білки і таким чином впливають на точність трансляції. Питання мутаціях буде розглянуто у розділі 6.

СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ. РЕПЛІКАЦІЯ РНК. Відомі три види процесів, у межах яких здійснюється спеціалізоване перенесення генетичної інформації. Одне з них - перенесення інформації від РНК до РНК - вдається зафіксувати лише у клітинах, заражених вірусами, генетичний матеріал представлений РНК. Це, зокрема, вірус тютюнової мозаїки та багато інших вірусів рослин, що містять РНК бактеріофаги та деякі інші віруси тварин, такі, як поліовіруси. Ці вірусні геномні РНК, одноланцюгові або дволанцюгові, несуть гени, що кодують специфічні РНК-реплікази, які за РНК-матрицею можуть синтезувати комплементарні молекули РНК. Вони можуть служити матрицями для синтезу аналогічним способом копій батьківських ланцюгів РНК. Перенесення генетичної інформації від РНК до РНК також ґрунтується на принципі комплементарних основ у батьківському та дочірньому ланцюгах РНК.

Зворотній транскрипції.Даний вид спеціалізованого перенесення генетичної інформації немає від ДНК до РНК, а навпаки від РНК до ДНК, виявлено у клітинах тварин, інфікованих вірусами певного типу. Це особливий тип РНК-вірусів, званих ретровірус.В даний час встановлено, що ще один тип вірусів - ДНК-вірус гепатиту Уу своєму розвитку також використовує перенесення інформації від РНК до ДНК.

Ретровіруси містять молекули одноланцюгової РНК, при цьому кожна вірусна частка має дві копії РНК-генома, тобто віруси цього типу є єдиним відомим різновидом диплоїдних вірусів. Вперше вони були виявлені за здатністю викликати утворення пухлин у тварин. Перший вірус цього був описаний в 1911г. Пептоном Раусом, який виявив інфекційну саркому у курей.

Після проникнення РНК ретровірусу в клітину господаря вірусний ген піддається зворотної транскрипції.При цьому спочатку утворюється дуплекс РНК-ДНК, а потім дволанцюжкова ДНК. Ці етапи передують експресії вірусних генів лише на рівні білків та освіті РНК-геномів.

Фермент, який каталізує комплементарне копіювання РНК з утворенням ДНК, називається зворотною транскриптазою.Він міститься в ретровірусних частинках (віріонах) і активізується після потрапляння вірусу в клітину та руйнування його ліпідно-глікопротеїнової оболонки.

З'являється все більше даних про те, що зворотна транскрипція відбувається і в різних еукаріотичних клітинах, а зворотна транскриптаза відіграє важливу роль у процесах перебудови геному.

Зворотні транскриптази ретровірусів - це по суті ДНК-полімерази, які можуть використовуватися in vitro як матриця ДНК. Проте набагато ефективніше вони працюють на РНК. Як і всі ДНК-полімерази, зворотні транскриптази не здатні ініціювати синтез нових ланцюгів ДНК. Але якщо синтез вже ініційований за допомогою праймерної РНК або 3"-кінцевої ділянки ДНК, фермент ефективно здійснює синтез, використовуючи ланцюг ДНК як матрицю.

Ретровіруси виявились дуже корисним інструментом сучасних генно-інженерних досліджень. Вони є джерелом для отримання практично чистої зворотної транскриптази - ферменту, що грає найважливішу рольу численних роботах, що базуються на клонуванні еукаріотичних генів. Так, очищену індивідуальну мРНК, що кодує білка, що цікавить дослідника, як правило, виділити набагато легше, ніж фрагмент ДНК геному, що кодує цей білок. Потім за допомогою зворотної транскриптази можна отримати ДНК-копію цієї мРНК і вбудувати її у відповідну плазміду для клонування та вироблення значних кількостей потрібної ДНК.

Трансляція ДНК.Третій вид спеціалізованого перенесення генетичної інформації від ДНК безпосередньо до білка вдалося спостерігати лише у лабораторії in vitro. У цих умовах деякі антибіотики, зокрема стрептоміцин і неоміцин, що взаємодіють з рибосомами, можуть так змінювати їх властивості, що рибосоми починають використовувати як матрицю замість мРНК одноланцюжкову ДНК, з якою послідовність основ безпосередньо переводиться в амінокислотну послідовність синтезованого поліпептиду.