Тема: Реализация наследственной информации (транскрипция и трансляция). - презентация

1 Тема: Реализация наследственной информации (транскрипция и трансляция).

2 Цель: Цель: Формирование у студентов современных знаний о молекулярных механизмах реализации генетической информации- транскрипции и трансляции, о процессинге и сплайсинге м РНК и посттрансляционном процессинге белков. Формирование у студентов современных знаний о молекулярных механизмах реализации генетической информации- транскрипции и трансляции, о процессинге и сплайсинге м РНК и посттрансляционном процессинге белков.

3 План лекции 1. Транскрипция; ее краткая характеристика. 2. Строение и функции РНК – полимераз у про- и эукариот. 3. Этапы транскрипции. 4. Процессинг мРНК. 5. Понятие о генетическом коде 6. Трансляция мРНК: а ). рекогниция. Аминоацилирование тРНК. а ). рекогниция. Аминоацилирование тРНК. б ). структура рибосом про- и эукариот. б ). структура рибосом про- и эукариот. в ). Этапы трансляции. в ). Этапы трансляции. 7. Общие представления о фолдинге белков.

4 Литература: 1. Жимулев И.Ф. «Общая и молекулярная генетика» Новосибирск., 2003, стр , Гинтер Е.К. «Медицинская генетика» М., стр Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Н. «Молекулярная биология». М , стр Фаллер Д.М. Шилдс Д. «Молекулярная биология клетки», пер. с англ. М стр 5. «Генетика». Учебник для ВУЗов (под редакцией академика РАМН В.И. Иванова – М стр Албертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки». Пер. с англ. том 2. М. Мир стр

5 Транскрипция Реализация генетической информации о структуре определенного белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию. Реализация генетической информации о структуре определенного белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию. Транскрипция - это первый этап реализации генетической информации, при котором в клетках осуществляется биосинтез РНК на матрице ДНК, т.е. переписывание информации о структуре белка с ДНК на специальный посредник – м РНК. Транскрипция - это первый этап реализации генетической информации, при котором в клетках осуществляется биосинтез РНК на матрице ДНК, т.е. переписывание информации о структуре белка с ДНК на специальный посредник – м РНК.

6

7 Транскрипция ДНК происходит отдельными участками, в которые входит один или несколько генов. (см.например, оперон). Каждый ген состоит из регуляторной части, с которой начинается транскрипция, кодирующей части, где записана информация о структуре белка, и терминирующей части, где завершается транскрипция. Транскрипция ДНК происходит отдельными участками, в которые входит один или несколько генов. (см.например, оперон). Каждый ген состоит из регуляторной части, с которой начинается транскрипция, кодирующей части, где записана информация о структуре белка, и терминирующей части, где завершается транскрипция.

8 Транскриптон Транскрипции подвергается не вся молекула ДНК, а только ее определенный участок – транскриптон. Начало транскриптона – промотор, конец- терминатор. Транскриптон бактерий называется опероном. Транскрипции подвергается не вся молекула ДНК, а только ее определенный участок – транскриптон. Начало транскриптона – промотор, конец- терминатор. Транскриптон бактерий называется опероном.

9 Транскрипция осуществляется специальным ферментом РНК–П. Транскрипция осуществляется специальным ферментом РНК–П. РНК- П узнает начало транскрибируемого участка (промотор), присоединяется к нему, расплетает двойную спираль ДНК и копирует, начиная с этого места, одну из ее цепей. РНК- П узнает начало транскрибируемого участка (промотор), присоединяется к нему, расплетает двойную спираль ДНК и копирует, начиная с этого места, одну из ее цепей. Когда РНК - П достигает конца копируемого участка (терминатора), РНК отделяется от матрицы. Когда РНК - П достигает конца копируемого участка (терминатора), РНК отделяется от матрицы.

10 Строение и функции РНК-П РНК- П обнаружена во всех про- и эукариотических организмах. Наиболее изучен фермент РНК – П, выделенный из кишечной палочки (E. coli). РНК- П обнаружена во всех про- и эукариотических организмах. Наиболее изучен фермент РНК – П, выделенный из кишечной палочки (E. coli). Он представляет собой сложный белковый комплекс и состоит из пяти белковых субъединиц: двух α, β, β и δ фактора. Он представляет собой сложный белковый комплекс и состоит из пяти белковых субъединиц: двух α, β, β и δ фактора.

11

12 Сигма – субъединица необходима для распознавания РНК-П специфического участка - промотора на ДНК, с которого начинается транскрипция, т.е. для инициации транскрипции. Сигма – субъединица необходима для распознавания РНК-П специфического участка - промотора на ДНК, с которого начинается транскрипция, т.е. для инициации транскрипции. Комплекс субъединиц α2, β, β, получивший название core-фермента (от англ. Core-сердцевина) или минимального фермента предназначен для элонгации этого процесса. Комплекс субъединиц α2, β, β, получивший название core-фермента (от англ. Core-сердцевина) или минимального фермента предназначен для элонгации этого процесса.

13 Взаимодействие core-фермента с δ- субъединицей приводит к формированию холоэнзима РНК-П. Взаимодействие core-фермента с δ- субъединицей приводит к формированию холоэнзима РНК-П. Сигма –фактор после начала синтеза РНК, сразу же освобождается из комплекса холоэнзим РНК, и может повторно использоваться для образования холоэнзима, обладающего всеми ее свойствами. Сигма –фактор после начала синтеза РНК, сразу же освобождается из комплекса холоэнзим РНК, и может повторно использоваться для образования холоэнзима, обладающего всеми ее свойствами.

14 У прокариот функционирует одна единственная РНК-П, которая принимает участие в синтезе всех видов РНК: мРНК, тРНК и рРНК. Содержание РНК-П в клетках бактерий варьирует от 500 до 7000 на клетку (Matzura H.1973). У прокариот функционирует одна единственная РНК-П, которая принимает участие в синтезе всех видов РНК: мРНК, тРНК и рРНК. Содержание РНК-П в клетках бактерий варьирует от 500 до 7000 на клетку (Matzura H.1973).

15 Характерные особенности фермента РНК-П: Характерные особенности фермента РНК-П: 1). способность с помощью δ- субъединицы выбирать цепь ДНК, с которой будет производиться транскрипция и точку ее начала. 1). способность с помощью δ- субъединицы выбирать цепь ДНК, с которой будет производиться транскрипция и точку ее начала. 2). отсутствие потребности в затравке, что резко отличает ее от всех ДНК-П. 2). отсутствие потребности в затравке, что резко отличает ее от всех ДНК-П. 3). отсутствие механизма самокоррекции. Вследствие этого точность ее работы ниже чем у ДНК-П. 3). отсутствие механизма самокоррекции. Вследствие этого точность ее работы ниже чем у ДНК-П.

16 В клетках эукариот существуют три различные РНК-П (I,II,III), каждая из которых представлена самостоятельными полипептидами. Эукариотические РНК-П имеют более сложное строение,число субьединиц в них может достигать В клетках эукариот существуют три различные РНК-П (I,II,III), каждая из которых представлена самостоятельными полипептидами. Эукариотические РНК-П имеют более сложное строение,число субьединиц в них может достигать

17 Функции РНК-полимераз у эукариот: РНК –полимераза І сосредоточена в основном в ядрышке и транскрибирует гены предшественников рРНК: 18 S, 28 S, 5,8 S РНК являющиеся структурными компонентами рибосом. РНК –полимераза І сосредоточена в основном в ядрышке и транскрибирует гены предшественников рРНК: 18 S, 28 S, 5,8 S РНК являющиеся структурными компонентами рибосом. РНК –полимераза ІІ находится в нуклеоплазме и синтезирует пре –мРНК- информационные или матричные РНК, выполняющие роль матриц при синтезе белка рибосомами и некоторые мяРНК. РНК –полимераза ІІ находится в нуклеоплазме и синтезирует пре –мРНК- информационные или матричные РНК, выполняющие роль матриц при синтезе белка рибосомами и некоторые мяРНК.

18 РНК –П ІІІ содержится в нуклеоплазме и транскрибирует в основном гены пре - тРНК т.е. транспортные РНК.

19 Этапы транскрипции Инициация-это первый этап транскрипции, где у прокариот РНК-П с участием δ-фактора узнает промотор и присоединяется к нему. Инициация-это первый этап транскрипции, где у прокариот РНК-П с участием δ-фактора узнает промотор и присоединяется к нему. Промотор у прокариот длиной около 80 пар нуклеотидов содержит две характерные шестинуклеотидные последовательности, необходимые для связывания РНК – полимеразы. Промотор у прокариот длиной около 80 пар нуклеотидов содержит две характерные шестинуклеотидные последовательности, необходимые для связывания РНК – полимеразы.

20 Элонгация транскрипции. Элонгация транскрипции. РНК-полимераза перемещается вдоль структурных генов оперона, соответственно перемещается и «транскрипционный глазок», синтезируется молекула РНК комплементарная матричной цепи ДНК. РНК-полимераза перемещается вдоль структурных генов оперона, соответственно перемещается и «транскрипционный глазок», синтезируется молекула РНК комплементарная матричной цепи ДНК.

21 Нити ДНК перед транскрипционным комплексом (ДНК – РНК полимераза- РНК ) разделяются, а позади него вновь соединяются, вытесняя 5-конец синтезированной РНК Нити ДНК перед транскрипционным комплексом (ДНК – РНК полимераза- РНК ) разделяются, а позади него вновь соединяются, вытесняя 5-конец синтезированной РНК Средняя скорость транскрипции в клетках у бактерий составляет нуклеотидов в секунду на 1 молекулу РНК – полимеразы. Средняя скорость транскрипции в клетках у бактерий составляет нуклеотидов в секунду на 1 молекулу РНК – полимеразы.

22 Терминация - завершающий этап транскрипции. Сигналом терминации служат специальные ГЦ богатые участки в конце генов. Терминация - завершающий этап транскрипции. Сигналом терминации служат специальные ГЦ богатые участки в конце генов. Сила взаимодействия пар ГЦ довольно велика, локальная денатурация таких участков в ДНК происходит трудней. Это замедляет продвижение РНК – полимеразы и служит для нее сигналом к прекращению транскрипции. Сила взаимодействия пар ГЦ довольно велика, локальная денатурация таких участков в ДНК происходит трудней. Это замедляет продвижение РНК – полимеразы и служит для нее сигналом к прекращению транскрипции.

23 У бактерий, специальный белок RhO- фактор также обладает расплетающей активностью и облегчает расхождение цепей РНК и ДНК. У бактерий, специальный белок RhO- фактор также обладает расплетающей активностью и облегчает расхождение цепей РНК и ДНК. Каждая завершенная цепь РНК отделяется от ДНК матрицы в виде свободной одноцепочечной молекулы, в которой число нуклеотидов колеблется от 70 до Каждая завершенная цепь РНК отделяется от ДНК матрицы в виде свободной одноцепочечной молекулы, в которой число нуклеотидов колеблется от 70 до

24 Обычно на каждом транскрибируемом гене работают, двигаясь друг за другом несколько молекул РНК – полимераз конвеерным способом. Обычно на каждом транскрибируемом гене работают, двигаясь друг за другом несколько молекул РНК – полимераз конвеерным способом. Расстояние между ними в среднем н.п. Соответственно одним геном одновременно связано несколько растущих цепей пре-РНК. Расстояние между ними в среднем н.п. Соответственно одним геном одновременно связано несколько растущих цепей пре-РНК.

25

26 Особенности транскрипции у эукариот: Хромосомы эукариот имеют нуклеосомное строение, поэтому необходимы приспособления для освобождения ДНК от гистонов в месте ее транскрипции. (Попенко и др.1981г.) Хромосомы эукариот имеют нуклеосомное строение, поэтому необходимы приспособления для освобождения ДНК от гистонов в месте ее транскрипции. (Попенко и др.1981г.) В геноме у эукариот отсутствуют операторы (Комарев,1982г.). В регуляции транскрипции участвуют общие транскрипционные факторы. В геноме у эукариот отсутствуют операторы (Комарев,1982г.). В регуляции транскрипции участвуют общие транскрипционные факторы.

27 . К настоящему времени выделены шесть общих транскрипционных факторов: ТFIIА, ТFIIВ, ТFIIД, ТFIIЕ, ТFIIF, ТFIIН. К настоящему времени выделены шесть общих транскрипционных факторов: ТFIIА, ТFIIВ, ТFIIД, ТFIIЕ, ТFIIF, ТFIIН.

28 . Для активации транскрипции необходимо участие также специфических факторов транскрипции – энхансеров. Для активации транскрипции необходимо участие также специфических факторов транскрипции – энхансеров. Энхансеры располагаются достаточно далеко от регулируемого гена, на расстоянии нескольких тысяч нуклеотидных пар. Энхансеры располагаются достаточно далеко от регулируемого гена, на расстоянии нескольких тысяч нуклеотидных пар.

29 ДНК образует петли благодаря чему энхансеры сближаются с промоторной зоной и влияют на активность транскрипционного комплекса. ДНК образует петли благодаря чему энхансеры сближаются с промоторной зоной и влияют на активность транскрипционного комплекса. Причем, для некоторых ключевых генов в клетке имеется несколько энхансеров. Причем, для некоторых ключевых генов в клетке имеется несколько энхансеров. Все они в результате изгибов ДНК собираются в одном месте пространства. Все они в результате изгибов ДНК собираются в одном месте пространства.

30 Параллельно энхансерам, усиливающим транскрипцию, в геноме существуют специфические последовательности- сайленсеры. Параллельно энхансерам, усиливающим транскрипцию, в геноме существуют специфические последовательности- сайленсеры. Сайленсеры также связываются с комплексом специфических и неспецифических транскрипционных факторов и геном,но снижая транскрипционные возможности. Сайленсеры также связываются с комплексом специфических и неспецифических транскрипционных факторов и геном,но снижая транскрипционные возможности.

31

32 Продукты транскрипции. В результате транскрипции у эукариот образуются предшественники тех или иных РНК: м РНК,рРНК,и тРНК. В результате транскрипции у эукариот образуются предшественники тех или иных РНК: м РНК,рРНК,и тРНК. Пре – м РНК имеют такую же длину,что и транскрибируемый участок ДНК В них включены спейсеры, кодирующие участки -экзоны, а также интроны, которые подобно межгенным спейсерам не содержат генетической информации. Пре – м РНК имеют такую же длину,что и транскрибируемый участок ДНК В них включены спейсеры, кодирующие участки -экзоны, а также интроны, которые подобно межгенным спейсерам не содержат генетической информации. Интронные последовательности нередко образуют «шпильки». Интронные последовательности нередко образуют «шпильки».

33 Длина таких пре м- РНК у разных молекул варьирует от 2 тыс. до 20 тысяч нуклеотидов. Длина таких пре м- РНК у разных молекул варьирует от 2 тыс. до 20 тысяч нуклеотидов. Данный вид РНК называют гетерогенной ядерной РНК ( гя РНК). Данный вид РНК называют гетерогенной ядерной РНК ( гя РНК). Кроме того в пре м – РНК отсутствует на 5 – конце колпачок (КЭП), а на 3 – конце – поли (А) – фрагмент. Кроме того в пре м – РНК отсутствует на 5 – конце колпачок (КЭП), а на 3 – конце – поли (А) – фрагмент. Пре – мРНК эукариот несут информацию о синтезе лишь одной полипептидной цепи, т.е. дают при созревании только одну молекулу мРНК. Пре – мРНК эукариот несут информацию о синтезе лишь одной полипептидной цепи, т.е. дают при созревании только одну молекулу мРНК.

34 Процессинг (созревание) мРНК Процессинг включает следующие преобразования: Процессинг включает следующие преобразования: кэпирование кэпирование полиаденилирование полиаденилирование сплайсинг сплайсинг

35

36 Эукариотические мРНК стабильны в течение часов и суток.Это объясняется,во-первых, стабилизацией 5- и 3- концов, а во-вторых, связыванием мРНК с белками и образованием информосом, выполняющими защитную и транспортную функции. Эукариотические мРНК стабильны в течение часов и суток.Это объясняется,во-первых, стабилизацией 5- и 3- концов, а во-вторых, связыванием мРНК с белками и образованием информосом, выполняющими защитную и транспортную функции. В результате удаления «лишних» нуклеотидов, цепь мРНК укорачивается примерно на 87 % и остается лишь 13% от исходной длины. Это зрелая мРНК. В результате удаления «лишних» нуклеотидов, цепь мРНК укорачивается примерно на 87 % и остается лишь 13% от исходной длины. Это зрелая мРНК.

37 Альтернативный сплайсинг - это соединение экзонов одного гена в разных комбинациях с образованием различных зрелых мРНК. это соединение экзонов одного гена в разных комбинациях с образованием различных зрелых мРНК. При альтернативном сплайсинге с одного гена считывается более одного типа зрелых молекул мРНК, отличающихся набором экзонов и выполняющих сходные или различные функции. При альтернативном сплайсинге с одного гена считывается более одного типа зрелых молекул мРНК, отличающихся набором экзонов и выполняющих сходные или различные функции.

38 Механизмы альтернативного сплайсинга 1.Использование разл. промоторов. 1.Использование разл. промоторов. При этом образуются транскрипты с разным количеством экзонов, имеющие разные по длине 5 концы. При этом образуются транскрипты с разным количеством экзонов, имеющие разные по длине 5 концы. 2.Изменение сайта полиаденилирования первичного транскрипта. При этом изменяются размеры и структура 3 конца пре-м РНК. 2.Изменение сайта полиаденилирования первичного транскрипта. При этом изменяются размеры и структура 3 конца пре-м РНК.

39 3.Выбор различных экзонов из одинаковых пре-мРНК. При этом для формирования зрелых РНК могут использоваться различные экзоны, а часть из них не включается в сплайсинг. Выбор экзона зависит от стадии развития организма. 3.Выбор различных экзонов из одинаковых пре-мРНК. При этом для формирования зрелых РНК могут использоваться различные экзоны, а часть из них не включается в сплайсинг. Выбор экзона зависит от стадии развития организма.

40 Понятие о генетическом коде Систему расположения нуклеотидов в ДНК, определяющую последовательность расположения аминокислот в белке называют генетическим кодом. Систему расположения нуклеотидов в ДНК, определяющую последовательность расположения аминокислот в белке называют генетическим кодом. Две цепи ДНК в гене различаются по функциональной роли: одна из них является кодирующей(обычно верхняя 5-концом слева), а вторая- матричной(3-концом слева). Две цепи ДНК в гене различаются по функциональной роли: одна из них является кодирующей(обычно верхняя 5-концом слева), а вторая- матричной(3-концом слева). Считывание гена происходит с матричной цепи ДНК, следовательно при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информация кодирующей цепи ДНК. Считывание гена происходит с матричной цепи ДНК, следовательно при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информация кодирующей цепи ДНК.

41 Свойства генетического кода: Свойства генетического кода: 1. Триплетность. Единицей информации в кодирующей цепи ДНК является триплет- последовательность из трех нуклеотидов. Один триплет (кодон) кодирует одну аминокислоту 2. Вырожденность. Число кодонов(61) преобладает над числом аминокислот(20). Все аминокислоты кроме метионина и триптофана кодируются от 2 до 6 триплетами.

42 3. Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту. 4. Непрерывность. Код внутри гена не содержит знаков препинания, и кодирующие триплеты следуют один за другим. 5. Неперекрываемость. Каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона

43 6. Коллинеарность. Последовательность триплетов в экзонах гена соответствует последовательности аминокислот в белке. 7. Универсальность. Генетический код един для всех живущих на Земле существ.