Рекомендую как пособие по медицинской генетике

Курс биологии
Лекция 2.
Реализация генетической информации.
Строение генов про- и эукариот.
Особенности экспрессии генов у про- и эукариот.
Этапы реализации генетической информации.

Продолжаем говорить о реакциях с участием ДНК
Репликация (самоудвоение ДНК)
Рекомбинация (обмен участками между молекулами ДНК)
Репарация (самовосстановление ДНК)
Транскрипция (синтез РНК на ДНК)
Обратная транскрипция (синтез ДНК на РНК – у некоторых вирусов)
Мутирование (изменение строения ДНК)

Реализация генетической информации
Реализация генетической информации – это путь от гена к признаку. В основе признака лежит белок.
Ген – это участок молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), содержащий информацию о строении белка, а также т- или р-РНК.
То есть реализация генетической информации – это синтез белка.

Живые организмы делятся на два больших подцарства:
Прокариоты (доядерные)
Эукариоты (ядерные)
растения
грибы
животные
бактерии
синезеленые
водоросли

Основные отличия про- и эукариот
Прокариоты
Ядра нет
ДНК – кольцевая, лежит в цитоплазме
Рибосомы 70 S
Нет мембранных органоидов
Клеточная стенка из муреина
Эукариоты
Есть ядро
ДНК – линейная, образует хромосомы
Рибосомы 80 S
Много мембранных органоидов
Клеточная стенка у растений из целлюлозы, у грибов из хитина

Некоторые замечания
Каждый ген имеет «начало» - промотор, последовательность ДНК типа ТАТААТ, поскольку А=Т связь легче разорвать.
Часть ДНК не является генами
промотор
структурная часть
ген

Строение генов про- и эукариот
Прокариоты
Основная часть ДНК - гены
Гены образуют «бригады» - опероны, с общим промотором и регулятором
Гены не имеют интронов
Транскрипция и трансляция не разделены в пространстве и во времени
Эукариоты
Основная часть ДНК не является генами
Каждый ген имеет свой промотор и несколько регуляторов
Большинство генов состоят из интронов и экзонов
Транскрипция и трансляция разделены в пространстве и во времени

У прокариот транскрипция (1) и трансляция(2) не разделены ни в пространстве, ни во времени
прокариотическая клетка
Кольцевая ДНК
мРНК
рибосомы
белок
5’
3’
(1)
(2)

Строение лактозного оперона бактерии кишечной палочки (E.coli).
РНК-полимераза
Промотор – область присоединения РНК-полимеразы, общий для всех трех генов
z
3 гена для белков одной цепочки химических реакций
мРНК
Три белка: галактозидаза, пермеаза и трансацетилаза, нужные для переваривания лактозы синтезируются одновременно
ДНК

Типичный ген эукариот всегда имеет собственный промотор и несколько регуляторов
регуляторы
промотор
лидер
трейлер
кодирующая область - экзоны и интроны
Интроны потом будут вырезаны

Этапы реализации генетической информации:
Транскрипция
Посттранскрипционные процессы
Трансляция
Посттрансляционные процессы

У эукариот разделены во времени и пространстве
Транскрипция – синтез РНК по матрице ДНК
Процессинг РНК (созревание РНК)
Трансляция РНК – синтез белка по матрице РНК
Процессинг белка (созревание белка) – приобретение белком его окончательной структуры
В ядре клетки
В цито-плазме клетки

Рассмотрим подробно на примере эукариот

1. Транскрипция
- синтез РНК (любых видов) по матрице ДНК
В качестве матричной выступает цепь ДНК 3’? 5’. Цепь 5’ ? 3’ в транскрипции не участвует. Эту цепь называют кодогенной, т.к. последовательность нуклеотидов РНК (кодонов) совпадает с ее последовательностью

В транскрипции различают
Начало – инициацию
Удлинение цепи РНК – элонгацию
Окончание - терминацию

Инициация транскрипции: фермент РНК-полимераза связывается с промотором на одной из цепей ДНК. (РНК-полимераза I и III транскрибируют гены т- и р-РНК; РНК-полимераза II – гены белков.)
5
3
3
5
ДНК
промотор
РНК-полимераза

2.Элонгация – по принципу комплементарности и антипараллельности на матричной цепи ДНК строится РНК- копия
кодогенная цепь
матричная цепь
ц
А У
Г Ц
У
Ц

3. Терминация. Сигналом для этого служит образование «шпильки» на РНК, при этом РНК отсоединяется от ДНК
РНК
Сигнал терминации
Самопроизвольное сворачивание
«шпилька»

2.
Постранскрипционные процессы.
Процессинг (созревание) РНК
(у эукариот)

Процессинг РНК включает:
1.присоединение кэпа (7-метилгуанозина) к 5 концу,
2.полиаденилового хвоста к 3 концу, 3.вырезание интронов
4.сплайсинг(сшивание) экзонов
5’-конец экзон 1 интрон 1 экзон 2 интрон 2 экзон 3 3’-конец
Поли-А-хвост
кэп
Вырезание интронов

Зрелая мРНК готова к выходу из ядра клетки
экзон1 экзон 2 экзон 3
полиА-хвост
5 конец
3 конец
Ядерная мембрана с порами
мРНК
кэп

Экзоны интроны
Примеры генов с различным числом интронов
Цифры - количество пар нуклеотидов

3.
Трансляция – синтез белка на рибосоме по матрице мРНК

В трансляции участвуют:
Рибосомы
мРНК
тРНК
Аминокислоты

Рибосомы состоят из нескольких десятков белков и рРНК. У бактерий они мельче (70S), у эукариот – 80S
Большая субъединица
Малая субъединица
Условное изображение рибосомы. Р и А – пептидильный и аминоацильный участки

Транспортная РНК (тРНК) подвозит аминокислоты к рибосоме. Ее изображают в форме клеверного листа.
антикодон
Аминокислота
(в данном случае: триптофан)

Аминокислота присоединяется к соответствующей тРНК при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтетазы
тРНК
ЦЦА
аминокислота
Фермент + энергия АТФ
5’
3’

Все аминокислоты имеет общую для всех часть молекулы и радикал, у всех разный, который определяет их химические свойства
Н—N—C—C = O
H
OH
H
R
аминогруппа
карбоксильная группа

аминокислоты

Основные аминокислоты и их обозначения
Аланин A Ала
Аргинин R Арг
Аспарагиновая кислота D Асп
Аспарагин N Асн
Валин V Вал
Гистидин H Гис
Глицин G Гли
Глутаминовая кислота E Глу
Глутамин Q Глн
Изолейцин I Иле
Лейцин L Лей
Лизин K Лиз
Метионин M Мет
Пролин P Про
Серин S Сер
Тирозин Y Тир
Треонин T Тре
Триптофан W Три
Фенилаланин F Фен
Цистеин C Цис

Трансляция происходит в соответствии с генетическим кодом.

Свойства генетического кода
Код триплетен (три нуклеотида ДНК или РНК соотвтствуют 1 аминокислоте белка)
Код специфичен (триплет кодирует определенную аминокислоту)
Код неперекрываем
Код вырожден (на одну аминокислоту приходится более одного триплета)
Код универсален (одинаков у всех организмов на Земле)
Есть три стоп (нонсенс) кодона (кодона терминатора)

Таблица кода может быть представлена по-разному

В трансляции, как и в транскрипции выделяют
Инициацию (начало). Метиониновая тРНК присоединяется к стартовому кодону АУГ и рибосома собирается.
Элонгацию (удлинение) пептид растет за счет образования пептидных связей.
Терминацию (завершение). Процесс доходит до одного из стоп-кодонов.

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
«КЭП»
метионин
тРНК для метионина
5’
3’
иРНК (мРНК)
малая субъединица рибосомы
большая субъединица рибосомы
УАЦ
кодон
антикодон
1. Инициация
«хвост»

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
мРНК
малая субъединица рибосомы
большая субъединица рибосомы

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
УАЦ
ЦЦЦ
пролин
2. Элонгация

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
УАЦ
Функциональный центр рибосомы: в нем различают А и Р участки
Р
А

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
УАЦ
ЦЦЦ
Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь и первая т РНК уходит в цитоплазму за новой аминокислотой
Затем рибосома сдвигается на один триплет вдоль мРНК

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
УАЦ
ЦЦЦ
ААА
лизин
В А-участок подходит 3-я аминокислота
Р
А

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
ЦЦЦ
Опять образуется пептидная связь и опять т РНК уходит, а рибосома передвигается на 1 триплет
ААА

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
а пептид растет до тех пор, пока в А участок функционального центра не попадет один из стоп-триплетов
ААА
Никакая тРНК не присоединяется к ним и синтез белка оканчивается
Рибосома продолжает движение,

АУГГГГУУУАААЦЦЦАЦГ……………………….УГА
5’
3’
Пептид покидает рибосому и она распадается опять на 2 субъединицы
3. Терминация

По одной мРНК могут перемещаться несколько рибосом друг за другом – так синтезируется больше белка

4.
Процессинг белка. Посттрансляционные процессы.
В ходе трансляции образуется первичная структура белка. Затем белок приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру

Фолдинг – сворачивание, приобретение белком его окончательной структуры

Каждый белок уникален по своей пространственной структуре

Медицинские приложения:
Реакции синтеза белка являются точкой приложения для действия многих лекарств и токсинов
Большинство антибиотиков нарушают трансляцию у прокариот. (Поскольку рибосомы митохондрий сходны с прокариотными, антибиотики влияют и на работу митохондрий)
Дифтерийный токсин блокирует трансляцию у эукариот.