Kod genetyczny- sposób na zapisanie w cząsteczce DNA informacji o liczbie i kolejności aminokwasów w białku.

Nieruchomości:

Potrójność – jeden aminokwas jest kodowany przez trzy nukleotydy

Nienakładające się — ten sam nukleotyd nie może być jednocześnie częścią dwóch lub więcej trypletów

Jednoznaczność (specyficzność) - pewien kodon odpowiada tylko jednemu

Uniwersalność - kod genetyczny działa tak samo w organizmach o różnym stopniu złożoności - od wirusów po ludzi

Degeneracja (redundancja) - kilka kodonów może odpowiadać temu samemu aminokwasowi.

14. Etapy implementacji informacji dziedzicznej u prokariontów i eukariontów.

Replikacja (synteza) DNA

Synteza DNA zawsze zaczyna się w ściśle określonych punktach. Enzym topoizomeraza rozwija helisę. Helikaza zrywa wiązania wodorowe między nićmi DNA i tworzy widełki replikacyjne. Białka SSB zapobiegają ponownemu tworzeniu wiązań wodorowych.

Primaza RNA syntetyzuje krótkie fragmenty RNA (startery), które są przyłączone do końca 3'.

Polimeraza DNA zaczyna się od startera i syntetyzuje łańcuch potomny (5 "3") -

Kierunek syntezy jednej nici DNA pokrywa się z kierunkiem ruchu widełek replikacyjnych, więc ta nić jest syntetyzowana w sposób ciągły. Tutaj synteza przebiega szybko. Kierunek syntezy drugiej nici jest przeciwny do kierunku widełek replikacyjnych. Dlatego synteza tego łańcucha zachodzi w postaci oddzielnych odcinków i przebiega powoli (fragmenty Okazaki).

Dojrzewanie DNA: startery RNA są rozszczepiane, brakujące nukleotydy są uzupełniane, fragmenty DNA są łączone za pomocą ligazy. Topoizomeraza rozwija spiralę.

Etapy wdrażania informacji dziedzicznej (u eukariontów)

1. Transkrypcja

2.Przetwarzanie

3. Tłumaczenie

4. Zmiany potranslacyjne

Audycja- synteza cząsteczki RNA na podstawie cząsteczki DNA. Kluczowym enzymem jest polimeraza RNA.

Polimeraza RNA musi rozpoznawać promotor i oddziaływać z nim. Promotor to specjalna sekcja DNA, która znajduje się przed informacyjną częścią genu. Interakcja z promotorem jest niezbędna do aktywacji polimerazy RNA. Po aktywacji polimeraza RNA zrywa wiązania wodorowe między nićmi DNA.

Synteza RNA zachodzi zawsze wzdłuż pewnej kodogennej nici DNA, na której promotor znajduje się bliżej końca 3'.

Synteza RNA przebiega zgodnie z zasadami komplementarności i antyrównoległości.

Polimeraza RNA osiąga kodon stop (kodon terminator lub terminator), co jest sygnałem do zatrzymania syntezy. Enzym jest inaktywowany, oddzielany od DNA i uwalniana jest nowo zsyntetyzowana cząsteczka DNA – pierwotny transkrypt – pro-RNA. Przywrócona zostaje oryginalna struktura DNA.

Cechy strukturalne genu eukariotycznego:

U eukariontów geny obejmują regiony o różnych funkcjach.

A) Introny – fragmenty DNA (genu), które nie kodują aminokwasów w białku

B) Egzony to odcinki DNA, które kodują aminokwasy w białku.

Nieciągły charakter genu odkryli Roberts i Sharpe (Nagroda Nob. 1903).

Liczba intronów i egzonów w różnych genach jest bardzo zróżnicowana.

Przetwarzanie(dojrzewanie)

Pierwotny transkrypt dojrzewa i powstaje dojrzała cząsteczka informacyjnego RNA, która może uczestniczyć w syntezie białek na rybosomach.

Na końcu 5" RNA tworzy się specjalne miejsce (struktura) - CEP lub czapeczka. CEP zapewnia interakcję z małą podjednostką rybosomu.

Na końcu 3" RNA przyłączone jest od 100 do 200 cząsteczek nukleotydów niosących adeninę (poliA). Podczas syntezy białek nukleotydy te są stopniowo odcinane, zniszczenie poliA jest sygnałem do zniszczenia cząsteczek RNA.

Grupa CH3 jest dodawana do niektórych nukleotydów RNA - metylacja. Zwiększa to odporność DNA na działanie enzymów cytoplazmatycznych.

Splicing - introny są wycinane, a eksony łączone. enzym restrykcyjny usuwa, usieciowanie ligazy)

Dojrzały komunikator RNA obejmuje:

Lider zapewnia wiązanie informacyjnego RNA z podjednostką rybosomu.

SC - kodon start - taki sam dla wszystkich informacyjnych RNA, koduje aminokwas

Region kodujący - kody aminokwasów w białku.

Kodon stop - sygnał do zatrzymania syntezy białek.

Podczas przetwarzania następuje ścisła selekcja do cytoplazmy, około 10% cząsteczek z liczby pierwotnych transkryptów jest uwalnianych z jądra.

Splicing alternatywny

Osoba ma 25-30 tysięcy genów.

Jednak u ludzi wyizolowano około 100 tysięcy białek.

Splicing alternatywny to sytuacja, w której ten sam gen zapewnia syntezę tych samych cząsteczek proRNA w komórkach różnych tkanek. W różnych komórkach liczba i granice między eksonami i intronami są różnie określane. W rezultacie z tych samych transkryptów pierwotnych uzyskuje się różne mRNA i syntetyzuje się różne białka.

Splicing alternatywny został udowodniony dla około 50% ludzkich genów.

Translacja to proces składania łańcucha peptydowego na rybosomach zgodnie z informacją zawartą w mRNA.

1. Inicjacja (początek)

2. Elongacja (wydłużenie cząsteczki)

3. Wypowiedzenie (koniec)

Inicjacja.

Cząsteczka matrRNA kontaktuje się z małą podjednostką rybosomu za pomocą CEP. Lider RNA wiąże się z podjednostką rybosomu. TranspRNA, który przenosi kwasową metioninę transportową, jest przyłączony do kodonu start. Następnie dołącza się duża podjednostka rybosomu. W całym rybosomie powstają dwa centra aktywne: aminoacylo i peptydyl. Aminoacyl jest wolny, a peptydyl jest zajęty przez tRNA z metioniną.

Wydłużenie.

Centrum aminoacylowe zawiera mRNA, którego antykodon odpowiada kodującemu.

Następnie rybosom przesuwa się względem mRNA o kodon 1. W tym przypadku uwalniane jest centrum aminoacylowe. mRNA znajduje się w centrum peptydylowym i wiąże się z drugim aminokwasem. Proces jest cyklicznie powtarzany.

3. Wypowiedzenie

Kodon stop wchodzi do centrum aminoacylowego, które rozpoznawane jest przez specjalne białko, jest to sygnał do zatrzymania syntezy białek. Podjednostki rybosomu są rozdzielane, uwalniając mRNA, a polipeptyd jest ponownie syntetyzowany.

4. Zmiany potranslacyjne.

Podczas translacji powstaje pierwotna struktura polipeptydu, co nie wystarcza do pełnienia funkcji białka, więc białko się zmienia, co zapewnia jego aktywność.

Utworzony:

A) struktura drugorzędowa (wiązania wodorowe)

B) kula - struktura trzeciorzędowa (wiązania dwusiarczkowe)

C) struktura czwartorzędowa - hemoglobina

D) Glikozylacja – przyłączanie reszt cukrowych (przeciwciał) do białka

E) rozszczepienie dużego polipeptydu na kilka fragmentów.

Różnice we wdrażaniu informacji dziedzicznej u prokariontów i eukariontów:

1. Prokariontom brakuje egzonów i intronów, więc nie ma etapów przetwarzania i łączenia.

2. U prokariontów transkrypcja i translacja zachodzą jednocześnie, tj. Synteza RNA jest w toku, a synteza DNA już się rozpoczyna.

3. U eukariontów synteza różnych typów RNA jest kontrolowana przez różne enzymy. U prokariontów wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane przez jeden enzym.

4. U eukariontów każdy gen ma swój unikalny promotor, u prokariontów jeden promotor może kontrolować pracę kilku genów.

5. Tylko prokariota mają system operonowy

Zasadniczo ważną właściwością informacji genetycznej jest jej zdolność do przenoszenia (przenoszenia) zarówno w obrębie pojedynczej komórki, jak iz komórki macierzystej do komórek potomnych lub między komórkami różnych osobników w procesach podziału komórek i reprodukcji organizmów. Jeśli chodzi o kierunki wewnątrzkomórkowego transferu informacji genetycznej, to w przypadku organizmów zawierających DNA są one związane z procesami replikacji cząsteczek DNA, tj. z kopiowaniem informacji (patrz podrozdział 1.2) lub z syntezą cząsteczek RNA (transkrypcja) i tworzeniem polipeptydów (translacja) (ryc. 1.14). Jak wiadomo, każdy z tych procesów realizowany jest w oparciu o zasady macierzy i komplementarności.

Obecne wyobrażenia o przekazywaniu informacji genetycznej według schematu DNA → RNA → białko są powszechnie nazywane „centralnym dogmatem” biologii molekularnej. Wraz z tym (najbardziej powszechnym) kierunkiem transferu, który jest czasami określany jako „transfer ogólny”, istnieje inna forma realizacji informacji genetycznej („transfer wyspecjalizowany”) znaleziona w wirusach zawierających RNA. W tym przypadku obserwuje się proces zwany odwrotną transkrypcją, w którym pierwotny materiał genetyczny (wirusowy RNA), który dostał się do komórki gospodarza, służy jako matryca do syntezy komplementarnego DNA przy użyciu enzymu odwrotnej transkryptazy (rewertazy) kodowanego przez wirus genom. W przyszłości możliwe jest zrealizowanie informacji o zsyntetyzowanym wirusowym DNA w zwykłym kierunku. W konsekwencji,

Ryż. 1.14. Główne kierunki wewnątrzkomórkowego transferu informacji genetycznej

wyspecjalizowany transfer informacji genetycznej odbywa się zgodnie ze schematem RNA → DNA → RNA → białko.

Transkrypcja jest pierwszym etapem ogólnego transferu informacji genetycznej i jest procesem biosyntezy cząsteczek RNA zgodnie z programem DNA. Podstawowym znaczeniem tego procesu jest to, że informacja o genie strukturalnym (lub kilku sąsiednich genach), zapisana w postaci sekwencji nukleotydowej nici kodującej DNA w orientacji 3 „→ 5”, zostaje przepisana (przepisana) do sekwencja nukleotydowa cząsteczki RNA zsyntetyzowanej w 5 kierunku „→ 3” w oparciu o komplementarną zgodność dezoksyrybonukleotydów nici matrycy DNA z rybonukleotydami RNA (A-U, G-C, T-A, C-G) (ryc. 1.15). Jako produkty transkrypcji (transkrypty) można uznać wszystkie typy cząsteczek RNA biorące udział w biosyntezie białek w komórce - matrycowy (informacyjny) RNA (mRNA lub mRNA), rybosomalny RNA (rRNA), transferowy RNA (tRNA), małe jądrowy RNA ( snRNA).

Proces transkrypcji zapewnia złożone działanie wielu enzymów, w tym polimerazy RNA, która jest złożonym białkiem składającym się z kilku podjednostek i zdolnym do pełnienia kilku funkcji. W przeciwieństwie do prokariontów (bakterii), w których komórkach występuje tylko jeden rodzaj polimerazy RNA, który zapewnia syntezę różnych cząsteczek RNA, eukarionty mają trzy typy jądrowych polimeraz RNA (I, II, III), a także polimerazy RNA komórki organelle zawierające DNA (mitochondria, plastydy). Polimeraza RNA I znajduje się w jąderku i bierze udział w syntezie większości cząsteczek rRNA, polimeraza RNA II zapewnia syntezę mRNA i snRNA, a polimeraza RNA III syntetyzuje tRNA i jeden wariant cząsteczek rRNA.

Transkrypcja dzieli się na trzy główne etapy – inicjację (początek syntezy RNA), elongację (wydłużenie łańcucha polinukleotydowego) i zakończenie (koniec procesu).

Ryż. 1.15. Synteza cząsteczki RNA na nici matrycowej DNA. Strzałka pokazuje kierunek, w którym rośnie łańcuch RNA.

Inicjacja transkrypcji polega na wstępnym specyficznym związaniu polimerazy RNA z rozpoznawaną przez nią krótką sekwencją nukleotydową w regionie cząsteczki DNA (promotorze) znajdującym się przed punktem startowym genu strukturalnego, od którego rozpoczyna się synteza RNA. Promotory różnych genów strukturalnych mogą być identyczne lub zawierać różne sekwencje nukleotydowe, co prawdopodobnie determinuje wydajność transkrypcji poszczególnych genów i zdolność do regulacji samego procesu transkrypcji (patrz także rozdz. 1.6). Promotory wielu genów prokariotycznych zawierają uniwersalną sekwencję 5'-TATAAT-3' (blok Pribnowa), która znajduje się przed punktem startowym w odległości około 10 nukleotydów i jest rozpoznawana przez polimerazę RNA. Inna stosunkowo powszechna rozpoznawalna sekwencja tych organizmów (5'-TTGACA-3') zwykle znajduje się w odległości około 35 nukleotydów od punktu początkowego. W genomach eukariotycznych funkcję rozpoznawania przez polimerazę RNA II mogą pełnić uniwersalne sekwencje TATA (blok Hognessa), CAAT oraz sekwencje składające się z powtarzających się nukleotydów G i C (motywy GC). Ten lub inny region promotora może zawierać jedną z tych sekwencji lub kombinację dwóch lub trzech z tych sekwencji.

Specyficzne silne wiązanie polimerazy RNA z jednym lub innym regionem regionu promotora, który rozpoznaje, umożliwia jej rozpoczęcie procesu rozwijania cząsteczki DNA do punktu początkowego, od którego zaczyna polimeryzować rybonukleotydy przy użyciu jednoniciowego 3'- Fragment DNA 5' jako matryca.

Dalszemu rozwijaniu DNA genu strukturalnego towarzyszy wydłużanie zsyntetyzowanego polirybonukleotydu (wydłużenie nici RNA), które trwa aż polimeraza RNA dotrze do regionu terminatora. Ta ostatnia to sekwencja nukleotydowa DNA rozpoznawana przez polimerazę RNA przy udziale innych czynników terminacji białka, co prowadzi do zakończenia syntezy transkryptu i jego oderwania od matrycy. W większości przypadków terminator znajduje się na końcu genu strukturalnego, zapewniając syntezę jednej monogenowej cząsteczki mRNA. Jednocześnie u prokariontów możliwa jest synteza poligenicznej cząsteczki mRNA kodującej syntezę dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Istnieje ciągła transkrypcja kilku sąsiednich genów strukturalnych, które mają jeden wspólny terminator. Poligeniczny mRNA może zawierać nie podlegające translacji regiony międzygenowe (przerywniki), które oddzielają regiony kodujące dla poszczególnych polipeptydów, co prawdopodobnie zapewnia późniejsze oddzielenie samych zsyntetyzowanych polipeptydów.

Ponieważ geny strukturalne eukariontów mają strukturę nieciągłą (mozaikową), ich transkrypcja ma specyficzne cechy, które odróżniają ją od transkrypcji u prokariontów. W przypadku genu eukariotycznego kodującego syntezę polipeptydu, proces ten rozpoczyna się od transkrypcji całej sekwencji nukleotydowej zawierającej regiony DNA eksonu i intronu. Powstała cząsteczka mRNA, która odzwierciedla strukturę całego genu mozaikowego, zwanego heterogenicznym jądrowym RNA (hnRNA) lub promatrix RNA (pro-mRNA), następnie przechodzi proces dojrzewania (obróbka mRNA).

Przetwarzanie polega na enzymatycznym cięciu pierwotnego transkryptu (hnRNA), a następnie usunięciu jego regionów intronowych i połączeniu (splicing) regionów egzonowych, tworząc ciągłą sekwencję kodującą dojrzałego mRNA, która jest dalej zaangażowana w translację informacji genetycznej. Jako przykład możemy rozważyć schemat przetwarzania mRNA syntetyzowanego podczas transkrypcji genu łańcucha β-globiny (ryc. 1.16), którego strukturę omówiono wcześniej (zob. ryc. 1.13).

Przetwarzanie obejmuje również krótkie cząsteczki snRNA składające się z około 100 nukleotydów, które są sekwencjami komplementarnymi do sekwencji na końcach regionów intronowych hnRNA. Parowanie komplementarnych nukleotydów snRNA i hnRNA sprzyja fałdowaniu regionów intronowych w pętlę i konwergencji odpowiednich regionów eksonowych hnRNA, co z kolei czyni je dostępnymi dla działania tnącego enzymów (nukleaz). Dlatego cząsteczki snRNA zapewniają prawidłowe wycięcie intronów z hnRNA.

Podczas przetwarzania modyfikowane są również końce 5' i 3' powstającej dojrzałej cząsteczki mRNA. Podstawowe znaczenie tego procesu widać na diagramach.

Ryż. 1.16. Przetwarzanie ludzkiego genu mRNA-globiny

przetwarzanie ludzkiego genu β-globiny (patrz Ryc. 1.16) i pełnej sekwencji nukleotydowej dojrzałego mRNA powstałej w wyniku tego procesu. Jak widać na ryc. 1,17, na końcu 5" sekwencji znajduje się krótki nietłumaczony (wiodący) region, składający się z 17 trójek, które są oznaczone liczbami ze znakiem minus. Ten region jest kodowany przez transkrybowany (ale nietłumaczony) region pierwszego egzon genu β (zacieniowany na Ryc. 1.16). Modyfikacja tego fragmentu polega na utworzeniu 5" końcówki (z angielskiego, czapka- cap, hat), która jest resztą 7-metyloguanozyny przyłączoną do sąsiedniego nukleotydu w nietypowy sposób (za pomocą wiązania trifosforanowego). Przyjmuje się, że główna funkcja czapeczki związana jest z rozpoznawaniem określonej sekwencji cząsteczki rRNA wchodzącej w skład rybosomu, co zapewnia precyzyjne przyłączenie całego regionu wiodącego cząsteczki mRNA do określonego regionu tej cząsteczki. rybosom i inicjacja procesu translacji. Możliwe jest również, że czapeczka chroni dojrzałe mRNA przed przedwczesną degradacją enzymatyczną podczas jego transportu z jądra do cytoplazmy komórki.

Z tworzeniem poliadenylu wiąże się modyfikacja końca 3” mRNA β-globiny, który ma również krótką niepodlegającą translacji sekwencję kodowaną przez odpowiedni region trzeciego eksonu genu β (patrz ryc. 1.16). (poli ALE)"ogon" cząsteczki, składający się ze 100 - 200 kolejno połączonych reszt kwasu adenylowego. Działanie enzymu poliadenylacji nie wymaga matrycy, ale wymagana jest obecność sekwencji sygnałowej AAUAAAA na końcu 3” mRNA (patrz Rys. 1.17). Zakłada się, że „ogon” poliadenylu zapewnia transport dojrzały mRNA do rybosomu, chroniąc go przed enzymatyczną destrukcją, ale sam jest stopniowo niszczony przez enzymy cytoplazmatyczne, które odszczepiają jeden po drugim końcowe nukleotydy.

Audycja kolejnym etapem implementacji informacji genetycznej jest synteza polipeptydu na rybosomie, w którym jako matryca wykorzystywana jest cząsteczka mRNA (odczyt informacji w kierunku 5" → 3"). Należy zauważyć, że w komórkach prokariotycznych, które nie mają prawdziwego jądra z powłoką, chromosomalny materiał genetyczny (DNA) jest praktycznie zlokalizowany w cytoplazmie, co determinuje ciągły charakter związku między procesami transkrypcji i translacji. Innymi słowy, powstały wiodący koniec 5” cząsteczki mRNA, którego synteza nie została jeszcze zakończona, jest już w stanie wejść w kontakt z rybosomem, inicjując syntezę polipeptydu, tj. transkrypcja i translacja przebiegają jednocześnie Jeśli chodzi o eukarionty, procesy transkrypcji ich jądrowej informacji genetycznej i jej translacji muszą być rozdzielone w czasie ze względu na przetwarzanie cząsteczek RNA i konieczność ich późniejszego pakowania i

Ryż. 1.17. Sekwencja nukleotydowa dojrzałego mRNA ludzkiego genu α-globiny. Sekwencja zaczyna się od 7-metyloguanozyny na końcu 5" (miejsce czapeczki), po której następuje krótki nieulegający translacji region RNA. Pierwszy translowany kodon (AUG) jest pogrubiony i oznaczony cyfrą 0, ponieważ kodowany przez niego aminokwas ( metionina) jest następnie odcinana od polipeptydu (pierwszym aminokwasem dojrzałego białka będzie walina, kodowana przez GUG). Kodon stop UAA (kodon 147), na którym kończy się translacja (polipeptyd składa się ze 146 aminokwasów) i sekwencja sygnałowa poliadenylacji (AAAAAA) na końcu 3' transportu z karioplazmy do cytoplazmy przy udziale specjalnych białek transportowych.

Podobnie jak w przypadku transkrypcji, proces translacji można z grubsza podzielić na trzy główne etapy – inicjację, elongację i terminację.

W celu inicjacji translacji specyfika organizacji strukturalnej grupy identycznych rybosomów (polirybosomów lub polisomów), które mogą uczestniczyć w syntezie struktury pierwszorzędowej pewnej cząsteczki białka (polipeptydu) kodowanej przez odpowiedni mRNA, jest o fundamentalnym znaczeniu. Jak wiadomo, indywidualny rybosom to organella komórkowe składające się z cząsteczek rRNA, które determinują jego specyficzność, oraz białek. Rybosom zawiera 2 podjednostki strukturalne (duże i małe), które można różnicować na podstawie ich zdolności do odmiennego wytrącania podczas ultrawirowania preparatów oczyszczonych rybosomów ze zniszczonych komórek, tj. według współczynnika sedymentacji (wartość 5). W pewnych warunkach w komórce może nastąpić separacja (dysocjacja) tych dwóch podjednostek lub ich asocjacja (asocjacja).

Rybosomy prokariotów, a także mitochondria i chloroplasty składają się z dużych i małych podjednostek o wartościach odpowiednio 505 i 305, podczas gdy u eukariontów podjednostki te mają różne rozmiary (605 i 405). Ponieważ proces translacji został bardziej szczegółowo zbadany u bakterii, najczęściej rozważa się go w związku ze strukturą rybosomów tych organizmów. Jak widać na ryc. 1,18 rybosom zawiera 2 miejsca bezpośrednio związane z inicjacją translacji, oznaczone jako miejsce P (aminoacyl) i R- miejsce (peptydyl), którego specyficzność jest określona przez połączenie odpowiednich regionów podjednostek 505 i 305. Po dysocjacji podjednostek rybosomów miejsca te stają się „nieukończone”, co prowadzi do zmiany ich funkcjonalnej specyficzności.

W procesie translacji zaangażowane są również cząsteczki tRNA, których funkcją jest transport aminokwasów z cytozolu (roztworu cytoplazmatycznego) do rybosomów. Cząsteczka tRNA, która ma strukturę drugorzędową w kształcie liścia koniczyny, zawiera trójkę nukleotydów (antykodon), co zapewnia jej komplementarne połączenie z odpowiednim kodonem (tryplet) cząsteczki mRNA kodującej syntezę polipeptydu na rybosomie oraz miejsce akceptorowe (przez 3" -koniec cząsteczki), do którego przyłączony jest określony aminokwas (patrz Ryc. 1.7). Proces przyłączania każdego z 20 aminokwasów do końca akceptorowego odpowiedniego tRNA jest związany z jego aktywacja przez pewien wariant enzymu aminoacylo-tRNA-

Ryż. 1.18. Struktura rybosomu bakteryjnego: miejsce peptydylowe P, miejsce aminoacylowe A

Ryż. 1.19. Początkowe etapy tłumaczenia: kompleks inicjujący; b wydłużenie

syntetaza wykorzystująca energię adenozynotrójfosforanów (cząsteczki ATP). Powstały specyficzny kompleks tRNA i aminokwasu, zwany aminoacylo-tRNA, następnie przemieszcza się do rybosomu i uczestniczy w syntezie polipeptydu.

Inicjację translacji zapewnia dokładne połączenie wiodącego końca 5" cząsteczki mRNA z pewnym regionem małej podjednostki zdysocjowanego rybosomu w taki sposób, że kodon startowy (inicjujący) AUG tej cząsteczki pojawia się w "niedokończonym" Miejsce P (ryc. 1.19). Funkcjonalną cechą takiego P- Miejsce jest to, że może być zajęte tylko przez inicjujący aminoacylo-tRNA z antykodonem UAC, który u eukariontów zawiera aminokwas metioninę, a u bakterii - formylometionina. Ponieważ synteza polipeptydu zawsze zaczyna się od N-końca i wzrasta w kierunku C-końca, to wszystkie cząsteczki białka syntetyzowane w komórkach prokariotycznych muszą zaczynać się od N-formylometioniny, a u eukariotów - od N-metioniny. aminokwasy te są następnie rozszczepiane enzymatycznie podczas przetwarzania cząsteczki białka (patrz ryc. 1.17).

Po utworzeniu kompleksu inicjującego w „niedokończonym” miejscu P (patrz ryc. 1.19), staje się możliwe ponowne zjednoczenie małych i dużych podjednostek rybosomu, co prowadzi do „ukończenia” miejsca P i Strona. Dopiero po tym kolejny aminoacylo-tRNA może zająć miejsce A w oparciu o zasadę

komplementarność jego antykodonu z odpowiednim kodonem mRNA zlokalizowanym w tym regionie (patrz Ryc. 1.19).

Proces elongacji rozpoczyna się od utworzenia wiązania peptydowego pomiędzy inicjującym (pierwszym w łańcuchu) a kolejnymi (drugimi) aminokwasami. Następnie rybosom przesuwa jedną trójkę mRNA w kierunku 5" → 3", czemu towarzyszy oderwanie inicjującego tRNA od matrycy (mRNA), od inicjującego aminokwasu i jego uwolnienie do cytoplazmy. W tym przypadku drugi aminoacylo-tRNA przemieszcza się z miejsca A do miejsca P, a uwolniony ALE-miejsce jest zajęte przez następny (trzeci) aminoacylo-tRNA. Powtarza się proces sekwencyjnego przemieszczania rybosomu w „potrójnych krokach” wzdłuż nici mRNA, któremu towarzyszy uwalnianie tRNA wchodzącego w miejsce P i wzrost sekwencji aminokwasowej zsyntetyzowanego polipeptydu.

Terminacja translacji jest związana z wejściem jednej z trzech znanych trójek stop mRNA w miejsce L rybosomu. Ponieważ taki triplet nie niesie informacji o żadnym aminokwasie, ale jest rozpoznawany przez odpowiednie białka terminacji, proces syntezy polipeptydu zatrzymuje się i zostaje odłączony od matrycy (mRNA).

Po opuszczeniu funkcjonującego rybosomu wolny 5'-koniec mRNA może wejść w kontakt z kolejnym rybosomem z grupy polisomalnej, inicjując syntezę innego (identycznego) polipeptydu, dlatego rozważany cykl rybosomów jest kolejno powtarzany przy udziale kilka rybosomów tego samego polisomu, w wyniku czego syntetyzowana jest grupa identycznych polipeptydów.

Modyfikacja potranslacyjna polipeptydu reprezentuje ostatni etap wdrażania informacji genetycznej w komórce, prowadzący do przekształcenia zsyntetyzowanego polipeptydu w funkcjonalnie aktywną cząsteczkę białka. W takim przypadku pierwotny polipeptyd może podlegać obróbce polegającej na enzymatycznym usunięciu aminokwasów inicjujących, odcięciu innych (niepotrzebnych) reszt aminokwasowych oraz modyfikacji chemicznej poszczególnych aminokwasów. Następnie zachodzi proces fałdowania liniowej struktury polipeptydu na skutek tworzenia dodatkowych wiązań między poszczególnymi aminokwasami i tworzenia struktury drugorzędowej cząsteczki białka (ryc. 1.20). Na tej podstawie powstaje jeszcze bardziej złożona struktura trzeciorzędowa cząsteczki.

W przypadku cząsteczek białka składających się z więcej niż jednego polipeptydu powstaje złożona struktura czwartorzędowa, w której łączy się struktury trzeciorzędowe poszczególnych polipeptydów. Jako przykład rozważmy model cząsteczki ludzkiej hemoglobiny (ryc. 1.21), składający się z

Ryż. 1.20. Drugorzędowa struktura cząsteczki enzymu rybonukleazy

Ryż. 1.21. Czwartorzędowa struktura cząsteczki ludzkiej hemoglobiny

dwie nici α i dwie nici β, które tworzą stabilną strukturę tetrameru poprzez wiązania wodorowe. Każdy z łańcuchów globin zawiera również cząsteczkę motywu, która w połączeniu z żelazem jest w stanie wiązać cząsteczki tlenu, zapewniając ich transport przez erytrocyty.

Podstawowe terminy i pojęcia: akceptorowy koniec tRNA; aminoacylo-tRNA; antykodon; hyRNA (pro-RNA); inicjacja transkrypcji i translacji; inicjowanie aminoacylo-tRNA i aminokwasu; kodon inicjacji mRNA; komplementarność; czapka; wiodący 5"-koniec mRNA; szablon; modyfikacja końców cząsteczki mRNA; monogenowa cząsteczka mRNA; mRNA (mRNA); snRNA; odwrotna transkryptaza (rewertaza); odwrotna transkrypcja; transfer ogólny; transfer (transfer) informacji; poligeniczny Cząsteczka mRNA; polipeptyd; polirybosom (polisom); potranslacyjna modyfikacja polipeptydu; promotor; przetwarzanie RNA i polipeptydu; rybosom; polimeraza RNA; rRNA; wyspecjalizowany transfer; splicing; punkt początkowy transkrypcji; terminator; zakończenie transkrypcji i translacji; transkrypcja; transkrypcja informacji genetycznej; translacja informacji genetycznej; tRNA; elongacja transkrypcji i translacji; miejsce A rybosomu; miejsce P rybosomu.

W pierwszej ćwierci XX wieku. wykazano, że elementarne cechy dziedziczone są spowodowane materialnymi jednostkami dziedziczności – genami zlokalizowanymi w chromosomach, gdzie są one zlokalizowane kolejno jeden po drugim w kolejności liniowej. Na tej podstawie opracował T. X. Morgan chromosomowa teoria dziedziczności, za co otrzymał w 1933 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za odkrycia dotyczące roli chromosomów w dziedziczności”.

Naukowcy próbowali także określić „produkty” aktywności genów, czyli te cząsteczki, które są syntetyzowane w komórkach pod ich kontrolą. W pracach Ephrussi, Beadle i Tatum, w przededniu II wojny światowej, wysunięto pomysł, że geny produkują białka, ale w tym celu gen musi przechowywać informację do syntezy konkretnego białka (enzymu). Złożony mechanizm realizacji informacji zawartej w DNA i jej translacji do postaci białka odkryto dopiero w latach 60. ubiegłego wieku.

KOD GENETYCZNY.Pomysł, że informacja o pierwszorzędowej strukturze białka jest zakodowana w genie, przedstawił F. Crick w swojej hipoteza sekwencji, zgodnie z którym sekwencja elementów strukturalnych genu determinuje sekwencję reszt aminokwasowych w syntetyzowanym łańcuchu polipeptydowym. Autor hipotezy zasugerował, że kod jest najprawdopodobniej trójką, że jednostka kodująca jest reprezentowana przez trzy pary zasad DNA ułożone w określonej sekwencji. Rzeczywiście, cztery pary zasad DNA: A-T, T-A, G-C, C-G - mogą kodować tylko 4 aminokwasy, jeśli założymy, że każda para odpowiada jednemu aminokwasowi. Wiadomo, że białka składają się z 20 podstawowych aminokwasów. Jeśli przyjmiemy, że każdy aminokwas odpowiada dwóm parom zasad, wówczas można zakodować 16 aminokwasów (42). To też nie wystarczy. Z kodem tripletowym składającym się z czterech par zasad, można wytworzyć 64 kodony (4 3), co jest więcej niż wystarczające do zakodowania 20 aminokwasów. Eksperymentalne dowody na to, że kod genetyczny jest trypletem, opublikowano w 1961 roku (F. Crick et al.). W tym samym roku na V Międzynarodowym Kongresie Biochemicznym w Moskwie M. Nirenberg i J. Mattei poinformowali o dekodowaniu pierwszego kodonu (UUU – kodon dla fenyloalaniny) i, co ważniejsze, zaproponowali metodę oznaczania składu kodony w bezkomórkowym systemie syntezy białek.

Natychmiast pojawiły się dwa pytania: czy kod się nakłada i czy kod jest zdegenerowany?

Jeśli kodony zachodzą na siebie, to zastąpienie jednej pary zasad prowadziłoby do zastąpienia dwóch lub trzech aminokwasów jednocześnie w zsyntetyzowanym białku. W rzeczywistości tak się nie dzieje, a kod genetyczny jest brany pod uwagę nienakładające się.

Kod to zdegenerowany ponieważ prawie każdy aminokwas jest powiązany z więcej niż jednym kodonem, co determinuje ich ułożenie w strukturze pierwszorzędowej syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego. Tylko dwa aminokwasy – metionina i tryptofan – są związane z pojedynczymi kodonami – odpowiednio AUG i UGG. Uporządkowanie każdego z trzech aminokwasów – argininy, leucyny i seryny – w strukturze pierwszorzędowej łańcucha polipeptydowego określa sześć kodonów itd. (patrz Tabela 3.2).

Wśród cech kodu genetycznego jest również jego wszechstronność(w zasadzie to samo dotyczy wszystkich żywych organizmów). Znaleziono jednak również wyjątki od tej reguły. W 1981 roku zakończono określanie pełnej sekwencji nukleotydowej ludzkiego mitochondrialnego DNA, zawierającej 16 569 par nukleotydów. Uzyskane wyniki wskazują, że genomy mitochondrialne wyższych i niższych eukariontów, kodujące w przybliżeniu ten sam zestaw funkcji, charakteryzują się różnicami w znaczeniu semantycznym niektórych kodonów, regułach rozpoznawania antykodon-kodon i ogólnej organizacji strukturalnej. Okazało się więc, że w przeciwieństwie do zwykłego kodu uniwersalnego kodon AUA zamiast izoleucyny koduje metioninę, a triplety AGA i AGG nie są kodonami argininy, ale sygnałami terminacji. transmisje; tryptofan jest kodowany zarówno przez triplet UGG, jak i triplet UGA, który zwykle działa jako kodon terminatora.

W kodzie genetycznym różne kodony tego samego aminokwasu, tj. kodony synonimiczne, są prawie zawsze w tym samym kwadracie i różnią się od siebie ostatnim z trzech nukleotydów (jedynymi wyjątkami są kodony argininy, serenu i leucyny , które mają po sześć kodonów , które nie mieszczą się w jednym kwadracie, gdzie pasują tylko cztery kodony). Kod genetyczny ma liniowy porządek odczytu i charakteryzuje się współliniowością , tj. zbieżność kolejności ułożenia kodonów w mRNA z kolejnością ułożenia aminokwasów syntetyzowanego łańcucha półdipeptydowego.

SYNTEZABIAŁKO W KLATCE. Reprodukcja i działanie genów związane są z procesami macierzowymi: syntezą makrocząsteczek – DNA, RNA, białek. Replikacja była już rozważana powyżej jako proces, który zapewnia reprodukcję informacji genetycznej. Współczesna teoria genu, osiągnięcie genetyki molekularnej, opiera się całkowicie na sukcesie biochemii w badaniu procesów macierzy. I odwrotnie, metoda analizy genetycznej wnosi istotny wkład w badanie procesów matrycowych, które same są pod kontrolą genetyczną. Rozważ działanie genu, który zapewnia transkrypcja, lub synteza RNA, i audycja, lub synteza białek.

TranskrypcjaDNA, To - przeniesienie informacji genetycznej zakodowanej w sekwencji par nukleotydów z dwuniciowej cząsteczki DNA do jednoniciowej cząsteczki RNA. Matrycą do syntezy RNA jest tylko jedna nić DNA, zwana semantyczny.

W transkrypcji, podobnie jak w innych procesach matrycowych, występują trzy etapy: inicjacja, wydłużenie oraz zakończenie. Enzym, który przeprowadza ten proces, nazywa się polimerazą RNA zależną od DNA lub po prostu polimeraza RNA; w tym przypadku polimeryzacja polirybonukleotydu (RNA) zachodzi w kierunku od końca 5 „do 3” rosnącego łańcucha.

Synteza enzymów i innych białek niezbędnych do życia i rozwoju organizmów zachodzi głównie w pierwszym etapie interfazy, przed rozpoczęciem replikacji DNA.

W wyniku transkrypcji informacje dziedziczne zapisane w DNA genu są dokładnie transkrybowany(przepisany) w nukleotydową sekwencję ciemności. Synteza mRNA rozpoczyna się w miejscu inicjacji transkrypcji zwanym promotor. Promotor znajduje się przed genem i zawiera około 80 par zasad (u wirusów i bakterii region ten odpowiada około jednemu obrotowi helisy DNA i obejmuje około 10 par zasad). Sekwencje nukleotydowe promotora często zawierają pary AT, dlatego nazywane są również sekwencjami TATA.

Transkrypcję przeprowadza się za pomocą enzymów polimerazy RNA. U eukariontów znane są trzy typy polimeraz RNA: I – odpowiedzialny za syntezę rRNA, II – za syntezę mRNA; III - do syntezy tRNA i rRNA o niskiej masie cząsteczkowej - 5S RNA.

Polimeraza RNA silnie wiąże się z promotorem i oddziela nukleotydy łańcuchów komplementarnych. Następnie enzym ten zaczyna przemieszczać się wzdłuż genu (cząsteczki DNA) i po rozłączeniu łańcuchów prowadzi do (sensownej) syntezy mRNA na jednym z nich, dodając zgodnie z zasadą komplementarności adeninę do tyminy, uracyl do adeniny , guanina na cytozynę i cytozyna na guaninę. Te odcinki DNA, na których polimeraza utworzyła mRNA, są ponownie łączone, a zsyntetyzowana cząsteczka mRNA jest stopniowo oddzielana od DNA. Koniec syntezy mRNA określa miejsce zatrzymania transkrypcji -- terminator. Sekwencje nukleotydowe promotora i terminatora rozpoznawane są przez specjalne białka regulujące aktywność polimerazy RNA.

Przed wyjściem z jądra do początkowej części mRNA (koniec 5) dodaje się metylowaną resztę guaniny zwaną „czapką”, a na koniec mRNA dodaje się około 200 reszt kwasu adenylowego (koniec 3). W tej formie dojrzały mRNA przechodzi przez błonę jądrową do cytoplazmy do rybosomu i łączy się z nim. Uważa się, że u eukariontów „czapka” mRNA bierze udział w jego wiązaniu z małą podjednostką rybosomu.

Audycja mRNA. Jest to synteza białek na rybosomach kierowana przez matrycę mRNA. W tym przypadku informacja jest tłumaczona z czteroliterowego alfabetu kwasów nukleinowych na dwudziestoliterowy alfabet sekwencji aminokwasowych łańcuchów polipeptydowych.

Ten proces składa się z trzech etapów.

Aktywacja wolnych aminokwasów – tworzenie aminoacyloadenylany w wyniku oddziaływania aminokwasów z ATP pod kontrolą enzymów specyficznych dla każdego aminokwasu. Te enzymy są syntaza aminoacyltRNA- weź udział w kolejnym etapie.

Aminoacylacja tRNA polega na przyłączeniu reszt aminokwasowych do tRNA poprzez oddziaływanie tRNA i kompleksu syntetazy aminoacylo-tRNA z aminoacyloadenylanami. W tym przypadku każda reszta aminokwasowa jest przyłączona do swojej określonej klasy tRNA.

Właściwie translacja lub polimeryzacja reszt aminokwasowych z utworzeniem wiązań peptydowych.

Tak więc podczas translacji sekwencja nukleotydów w mRNA jest tłumaczona na odpowiednią, ściśle uporządkowaną sekwencję aminokwasów w syntetyzowanej cząsteczce białka. Proces translacji obejmuje mRNA, rybosomy, tRNA, syntetazy aminoacylo-tRNA.

Sygnał inicjacja transmisji u pro- i eukariontów kodon OUT jest używany, jeśli znajduje się na początku mRNA. W tym przypadku jest „rozpoznawany” przez wyspecjalizowane inicjujące tRNA formylometioninowe (w bakteriach) lub metioninowe (u eukariotów). W innych przypadkach kodon AUG jest „odczytywany” jako metionina. Kodon GUG może również służyć jako sygnał inicjacji. Ta interakcja zachodzi na rybosomie w jego centrum aminoacylowym (centrum A), zlokalizowanym głównie na małej podjednostce rybosomu.

Interakcja kodonu AUG informacyjnego RNA, małej podjednostki rybosomu i form formylometionylo-tRNA kompleks inicjacyjny. Istotą tej interakcji jest to, że łączy ona swój antykod z kodonem AUG na mRNA.

UAC to tRNA, które wychwytuje i przenosi cząsteczkę aminokwasu metioniny (w bakteriach inicjatorem jest tRNA, które przenosi formylometioninę). Następnie do tego kompleksu dołącza duża podjednostka rybosomu (50S*), składająca się z małej podjednostki rybosomu (30S*), mRNA i tRNA. W rezultacie powstaje w pełni złożony rybosom, zawierający jedną cząsteczkę mRNA i inicjatorowe tRNA z aminokwasem. Rybosom ma aminoacylo oraz peptydyl centra.

Pierwszy aminokwas (metionina) najpierw wchodzi do centrum aminoacylowego. W procesie przyłączania większej podjednostki rybosomu mRNA przesuwa jeden kodon, tRNA przemieszcza się z centrum aminoacylowego do centrum peptydylowego. Kolejny kodon mRNA wchodzi do centrum aminoacylowego, które może łączyć się z antykodonem następnego aminoacylo-tRNA. Od tego momentu rozpoczyna się drugi etap tłumaczenia - wydłużenie, podczas którego cykl przyłączania cząsteczek aminokwasów do rosnącego łańcucha polipeptydowego powtarza się wielokrotnie. Tak więc, zgodnie z kodonem informacyjnego RNA, druga cząsteczka tRNA niosąca następny aminokwas wchodzi do centrum aminoacylowego rybosomu. Ten tRNA wiąże się ze swoim antykodonem z komplementarnym kodonem mRNA. Natychmiast, za pomocą pepticylotransferazy, poprzedzający aminokwas (metionina) jest połączony swoją grupą karboksylową (COOH) z grupą aminową (NH2) nowo dostarczonego aminokwasu. Między nimi powstaje wiązanie peptydowe. W takim przypadku uwalniana jest cząsteczka wody:

W rezultacie uwalniane jest mRNA, które dostarczyło metioninę, a dipeptyd jest już przyłączony do tRNA w centrum aminoacylowym. W celu dalszej realizacji procesu elongacji, centrum aminoacylowe musi zostać uwolnione, co się dzieje.

W wyniku procesu translacji kompleks dipeptydyl-tRNA przemieszcza się z centrum aminoacylowego do centrum peptydylowego. Wynika to z ruchu rybosomu o jeden kodon przy udziale enzymu translokazy i białkowy współczynnik elongacji. Uwolnione tRNA i związany z nim kodon mRNA wychodzą z rybosomu. Kolejne tRNA dostarcza aminokwas do zwolnionego centrum aminoacylowego zgodnie z otrzymanym tam kodonem. Ten aminokwas jest połączony z poprzednim aminokwasem wiązaniem peptydowym. W tym przypadku rybosom przesuwa o jeden kodon więcej i proces jest powtarzany, aż jeden z trzech kodonów terminacji (kodonów nonsensownych), tj. UAA, UAG lub UGA, wejdzie do centrum aminoacylowego.

Po wejściu kodonu terminacji do centrum aminoacylowego rybosomu rozpoczyna się trzeci etap syntezy polipeptydu - zakończenie. Rozpoczyna się przyłączeniem jednego z czynników terminacji białka do kodonu terminacji mRNA, co prowadzi do zablokowania dalszego wydłużania łańcucha. Zakończenie syntezy prowadzi do uwolnienia zsyntetyzowanego łańcucha polipeptydowego i podjednostek rybosomów, które po uwolnieniu dysocjują i mogą brać udział w syntezie kolejnego łańcucha polipeptydowego,

Całemu procesowi translacji towarzyszy rozszczepianie cząsteczek GTP (guanozynotrifosforanu) i konieczny jest udział dodatkowych czynników białkowych specyficznych dla procesów inicjacji (czynniki inicjacji), elongacji (czynniki elongacji) i terminacji (czynniki terminacji). Białka te nie są integralną częścią rybosomu, ale są do niego przyłączane na pewnych etapach translacji. Ogólnie rzecz biorąc, proces translacji jest taki sam we wszystkich organizmach.

Proces syntezy białek jest bardzo złożony. Oprócz wymienionych wiele innych enzymów zapewnia jej przepływ. Na mi. coli odkryto około 100 genów, które kontrolują syntezę polipeptydów i tworzenie różnych elementów składających się na aparat translacyjny. Ponieważ cząsteczka mRNA jest wystarczająco długa, może do niej dołączyć kilka rybosomów. W każdym z rybosomów związanych z jedną cząsteczką mRNA zachodzi synteza tych samych cząsteczek białka, jednak synteza ta przebiega na różnych etapach, co jest determinowane przez to, które z nich wcześniej, a które później weszły w kontakt z cząsteczką mRNA. Gdy rybosom porusza się wzdłuż mRNA (od jego 5"- do końca Z "-), miejsce inicjacji łańcucha zostaje uwolnione, na nim składa się następny aktywny kompleks rybosomów, a synteza polipeptydu rozpoczyna się ponownie na tej samej matrycy. Gdy kilka aktywnych rybosomów oddziałuje z jedną cząsteczką mRNA, polirybosom, lub polisom.

Powstające podczas syntezy białek łańcuchy polipeptydowe ulegają transformacji potranslacyjnej, a następnie pełnią swoje specyficzne funkcje. Podstawowa struktura polipeptyd jest określony przez sekwencję aminokwasów w nim zawartych. Łańcuchy polipeptydowe spontanicznie tworzą pewną wtórny strukturę, która jest zdeterminowana przez charakter bocznych grup reszt aminokwasowych (α-helisa, pofałdowana β-warstwa, kłębek nieuporządkowany). Wszystkie te i inne cechy strukturalne definiują pewną stałą trójwymiarową konfigurację, która nazywa się trzeciorzędowy(lub przestrzenna) struktura polipeptydu, co zasadniczo odzwierciedla sposób, w jaki łańcuch polipeptydowy jest fałdowany w przestrzeni trójwymiarowej.

Białka mogą składać się z jednego lub więcej łańcuchów polipeptydowych. W drugim przypadku nazywają się białka oligomeryczne. Charakteryzują się pewną struktura czwartorzędowa. Termin ten odnosi się do ogólnej konfiguracji białka, która powstała podczas łączenia wszystkich jego składowych łańcuchów polipeptydowych. W szczególności strukturalny model ludzkiej hemoglobiny obejmuje dwa łańcuchy α i dwa łańcuchy β, które są ze sobą połączone i tworzą czwartorzędową strukturę białkową.

Dokładność syntezy polipeptydu zależy od prawidłowego tworzenia systemu wiązań wodorowych między kodonami i antykodonami. Przed zamknięciem kolejnego wiązania peptydowego za pomocą rybosomów sprawdzana jest poprawność tworzenia pary kodon-antykodon. Bezpośrednim dowodem na rzecz aktywnej roli rybosomów w kontroli komplementarności wiązania kodon-antykodon jest odkrycie mutacji, które zmieniają białka rybosomalne, a tym samym wpływają na dokładność translacji. Mutacje zostaną omówione w rozdziale 6.

SPECJALISTYCZNY TRANSFER INFORMACJI GENETYCZNYCH. REPLIKACJA RNA Znane są trzy rodzaje procesów, w ramach których realizowany jest specjalistyczny transfer informacji genetycznej. Jeden z nich - transfer informacji z RNA do RNA - można utrwalić tylko w komórkach zakażonych wirusami, których materiał genetyczny jest reprezentowany przez RNA. Są to w szczególności wirus mozaiki tytoniu i wiele innych wirusów roślinnych, bakteriofagi zawierające RNA i niektóre inne wirusy zwierzęce, takie jak poliowirusy. Te wirusowe genomowe RNA, jednoniciowe lub dwuniciowe, zawierają geny kodujące specyficzne repliki RNA, które mogą syntetyzować komplementarne cząsteczki RNA z matrycy RNA. One z kolei mogą służyć jako matryce do syntezy kopii macierzystych łańcuchów RNA w podobny sposób. Przenoszenie informacji genetycznej z RNA do RNA również opiera się na zasadzie komplementarności zasad w macierzystej i potomnej nici RNA.

Transkrypcja odwrotna. Ten rodzaj wyspecjalizowanego transferu informacji genetycznej nie z DNA do RNA, ale odwrotnie, z RNA do DNA, został znaleziony w komórkach zwierzęcych zakażonych pewnymi typami wirusów. Jest to specjalny rodzaj wirusów zawierających RNA zwany retrowirusy. Obecnie ustalono, że innym typem wirusa jest wirus zapalenia wątroby zawierający DNA. W w swoim rozwoju wykorzystuje również transfer informacji z RNA do DNA.

Retrowirusy zawierają jednoniciowe cząsteczki RNA, przy czym każda cząstka wirusa ma dwie kopie genomu RNA, tj. wirusy tego typu są jedyną znaną odmianą wirusów diploidalnych. Po raz pierwszy odkryto je dzięki ich zdolności do wywoływania powstawania guzów u zwierząt. Pierwszy wirus tego typu został opisany w 1911 roku. Pepton Rous, który odkrył zakaźnego mięsaka u kurczaków.

Po dostaniu się retrowirusa RNA do komórki gospodarza genom wirusa ulega transkrypcja odwrotna. W tym przypadku najpierw tworzony jest dupleks RNA-DNA, a następnie dwuniciowy DNA. Te etapy poprzedzają ekspresję genów wirusowych na poziomie białka i tworzenie genomów RNA.

Enzym, który katalizuje komplementarne kopiowanie RNA w celu utworzenia DNA, nazywa się odwrotna transkryptaza. Jest zawarty w cząstkach retrowirusowych (wirionach) i jest aktywowany po wniknięciu wirusa do komórki i zniszczeniu jego otoczki lipidowo-glikoproteinowej.

Jest coraz więcej dowodów na to, że odwrotna transkrypcja występuje również w różnych komórkach eukariotycznych, a odwrotna transkryptaza odgrywa ważną rolę w procesach rearanżacji genomu.

Odwrotne transkryptazy retrowirusowe to zasadniczo polimerazy DNA, które można stosować in vitro jako matryce DNA. Działają jednak znacznie wydajniej na RNA. Jak wszystkie polimerazy DNA, odwrotne transkryptazy nie są w stanie zainicjować syntezy nowych nici DNA. Ale jeśli synteza jest już zainicjowana przez starter RNA lub koniec 3' DNA, wówczas enzym skutecznie przeprowadza syntezę używając nici DNA jako matrycy.

Retrowirusy okazały się bardzo przydatnym narzędziem w nowoczesnych badaniach inżynierii genetycznej. Służą jako źródło do uzyskania praktycznie czystej odwrotnej transkryptazy, enzymu, który odgrywa ważną rolę w licznych badaniach opartych na klonowaniu genów eukariotycznych. Tak więc oczyszczony pojedynczy mRNA kodujący białko będące przedmiotem zainteresowania badacza jest z reguły znacznie łatwiejszy do wyizolowania niż fragment genomowego DNA kodujący to białko. Kopię DNA tego mRNA można następnie wykonać przy użyciu odwrotnej transkryptazy i wstawić do odpowiedniego plazmidu w celu klonowania i wytwarzania znacznych ilości pożądanego DNA.

Tłumaczenie DNA. Trzeci typ wyspecjalizowanego transferu informacji genetycznej z DNA bezpośrednio do białka zaobserwowano jedynie w warunkach laboratoryjnych in vitro. W tych warunkach niektóre antybiotyki, w szczególności streptomycyna i neomycyna, wchodzące w interakcje z rybosomami mogą zmieniać swoje właściwości w taki sposób, że rybosomy zaczynają wykorzystywać jako matrycę jednoniciowy DNA zamiast mRNA, z którego sekwencja zasad jest bezpośrednio tłumaczona na sekwencja aminokwasowa zsyntetyzowanego polipeptydu.

1. Podaj definicje pojęć.
Kod genetyczny - zestaw kombinacji trzech nukleotydów kodujących 20 rodzajów aminokwasów tworzących białko.
Tryplet- trzy kolejne nukleotydy.
Antykodon Region w tRNA składający się z trzech niesparowanych nukleotydów, które specyficznie wiążą się z kodonem mRNA.
Transkrypcja - proces syntezy RNA z wykorzystaniem DNA jako matrycy, zachodzący we wszystkich żywych komórkach.
Audycja- proces syntezy białek z aminokwasów na matrycy mRNA (mRNA), realizowany przez rybosom.

2. Porównaj pojęcia „informacji genetycznej” i „kodu genetycznego”. Jakie są ich podstawowe różnice?
Informacja genetyczna - informacja o budowie białek, zakodowana za pomocą sekwencji nukleotydów - kodu genetycznego - w genach.
Innymi słowy, kod genetyczny jest zasadą rejestrowania informacji genetycznej. Informacja to informacja, a kod to sposób przekazywania informacji.

3. Wypełnij klaster "Właściwości kodu genetycznego".
Właściwości: tryplet, jednoznaczność, nadmiarowość, brak nakładania się, polaryzacja, uniwersalność.

4. Jakie jest biologiczne znaczenie redundancji kodu genetycznego?
Ponieważ na 20 aminokwasów tworzących białka przypada 61 kodonów, niektóre aminokwasy są kodowane przez więcej niż jeden kodon (tzw. degeneracja kodu).
Ta redundancja zwiększa niezawodność kodu i całego mechanizmu biosyntezy białek.

5. Wyjaśnij, czym są reakcje syntezy macierzy. Dlaczego tak się nazywają?
Jest to synteza złożonych cząsteczek polimerowych w żywych komórkach, zachodząca na podstawie informacji genetycznej komórki zakodowanej na matrycy (cząsteczka DNA, RNA). Synteza matrycy zachodzi podczas replikacji, transkrypcji i translacji DNA. Leży u podstaw procesu reprodukcji własnego gatunku.

6. Naszkicuj cząsteczkę tRNA i oznacz jej główne części.

7. Wypełnij tabelę.

ROLA SUBSTANCJI ORGANICZNYCH W BIOSYNTEZIE BIAŁKA

8. Jeden z łańcuchów DNA ma następującą sekwencję nukleotydową:
C-T-T-A-C-A-C-CG
Napisz strukturę mRNA zsyntetyzowanego na tej nici. Jaki będzie skład aminokwasowy fragmentu białka zsyntetyzowanego na podstawie tych informacji w rybosomie?
mRNA
G-A-A-U-U-G-U-G-G-G-G-A-C-U-G-C-A-C-U-G-CG
Łańcuch polipeptydowy
Glu-le-trp-gli-ley-gis-cis-ala-gli.

9. Naszkicuj proces syntezy białek.

10. Wypełnij tabelę.

ETAPY WDRAŻANIA INFORMACJI DZIEDZICZNYCH W KOMÓRCE

11. Przeczytaj § 2.10 i przygotuj odpowiedź na pytanie: „Dlaczego odszyfrowanie kodu genetycznego jest jednym z najważniejszych odkryć naukowych naszych czasów?”
Rozszyfrowanie kodu genetycznego, tj. określenie „znaczenia” każdego kodonu i zasad odczytywania informacji genetycznej, uważane jest za jedno z najbardziej uderzających osiągnięć biologii molekularnej.
Udowodniono, że kod jest uniwersalny do życia. Odkrycie i rozszyfrowanie kodu może pomóc w znalezieniu sposobów leczenia różnych chorób chromosomowych i genomowych, zbadania mechanizmu procesów metabolicznych na poziomie komórkowym i molekularnym.
Ogromna ilość danych eksperymentalnych szybko się gromadzi. Rozpoczął się nowy etap badań DNA. Biologia molekularna zwróciła się ku znacznie bardziej złożonym układom supramolekularnym i komórkowym. Okazało się, że możliwe jest podejście do problemów związanych z genetyką molekularną eukariontów, ze zjawiskiem ontogenezy.

12. Wybierz poprawną odpowiedź.
Test 1
Synteza białek nie może wystąpić:
2) w lizosomie;

Test 2
Transkrypcja to:
3) synteza mRNA na DNA;

Test 3
Wszystkie aminokwasy tworzące białko są kodowane na:
4) 64 trojaczki.

Test 4
Jeśli do syntezy białek weźmiemy rybosomy labraksa, enzymy i aminokwasy szarej wrony, ATP jaszczurki bykającej, mRNA dzikiego królika, to białko zostanie zsyntetyzowane:
4) dziki królik.

13. Ustal zgodność między właściwościami kodu genetycznego a ich cechami.
Właściwości kodu genetycznego
1. Potrójność

3. Wyjątkowość
4. Wszechstronność
5. Nie nakładające się
6. Polaryzacja
Charakterystyka
A. Każdy nukleotyd jest częścią tylko jednego trypletu
B. Kod genetyczny jest taki sam dla wszystkich żywych organizmów na Ziemi
B. Jeden aminokwas jest kodowany przez trzy kolejne nukleotydy
D. Niektóre tryplety definiują początek i koniec tłumaczenia
E. Każdy tryplet koduje tylko jeden określony aminokwas.
E. Aminokwas może być zdefiniowany przez więcej niż jeden tryplet.

14. Włóż brakujący element.
Nukleotyd - List
Trójka - Słowo
Gen - sugestia

15. Wyjaśnij pochodzenie i ogólne znaczenie słowa (terminu), na podstawie znaczenia tworzących je rdzeni.

16. Wybierz termin i wyjaśnij, w jaki sposób jego współczesne znaczenie odpowiada pierwotnemu znaczeniu jego korzeni.
Wybranym terminem jest transkrypcja.
Korespondencja - termin odpowiada jego pierwotnemu znaczeniu, ponieważ następuje transfer informacji genetycznej z DNA do RNA.

17. Sformułuj i zapisz główne idee § 2.10.
Informacja genetyczna w żywych organizmach jest rejestrowana za pomocą kodu genetycznego. Kod to zestaw kombinacji trzech nukleotydów (trójek) kodujących 20 rodzajów aminokwasów, z których składa się białko. Kod ma właściwości:
1. Potrójność
2. Degeneracja (redundancja)
3. Wyjątkowość
4. Wszechstronność
5. Nie nakładające się
6. Polaryzacja.
Procesy syntezy złożonych cząsteczek polimerowych w żywych komórkach zachodzą na podstawie informacji genetycznej komórki zakodowanej na matrycy (cząsteczka DNA, RNA). Synteza matrycy to replikacja, transkrypcja i translacja DNA.

1. Jaka sekwencja prawidłowo odzwierciedla sposób realizacji informacji genetycznej? Wybierz jedną poprawną odpowiedź:

gen → mRNA → białko → cecha,

Cecha → białko → mRNA → gen → DNA,

RNA → gen → białko → cecha,

Gen → DNA → cecha → białko.

2. Białko składa się z 50 reszt aminokwasowych. Ile nukleotydów znajduje się w genie? 3. Białko składa się ze 130 aminokwasów. Ustaw liczbę nukleotydów w mRNA i DNA, które kodują to białko oraz liczbę cząsteczek tRNA, które są niezbędne do syntezy tego białka. Wyjaśnij odpowiedź.

4. Białko składa się z 70 aminokwasów. Określ, ile razy masa cząsteczkowa sekcji genu kodującego to białko przekracza masę cząsteczkową białka, jeśli średnia masa cząsteczkowa aminokwasu wynosi 110, a nukleotydu 300. Wyjaśnij swoją odpowiedź.

6. Zgodnie z instrukcją informacji dziedzicznej komórka syntetyzuje białko, na początku którego aminokwasy są połączone w następującej kolejności: leucyna - histydyna - asparagina - walina - leucyna - tryptofan - walina - arginina - arginina - prolina - treonina - seryna - tyrozyna - lizyna - walina.. Określ mRNA kontrolujące syntezę określonego polipeptydu.

7. Który tryplet odpowiada antykodonowi AAU na tRNA?

8. Fragment łańcucha mRNA ma następującą sekwencję nukleotydową: CGAGUAUGCUGG. Określ sekwencję nukleotydową na DNA, antykodonach tRNA i sekwencję aminokwasową odpowiadającą temu fragmentowi genu.

mitoza, mejoza

1. Podczas nieprawidłowej mitozy w hodowli tkanek ludzkich jeden z krótkich chromosomów (nr 21) nie uległ rozszczepieniu, ale całkowicie przeszedł do jednej z komórek potomnych. Jakie zestawy chromosomów niesie każda z komórek potomnych?

2. W komórce somatycznej rośliny znajduje się 16 chromosomów. Jedna z komórek weszła w mitozę, ale w fazie anafazy wrzeciono zostało zniszczone przez kolchicynę. Komórka przeżyła, zakończyła mitozę. Określić liczbę chromosomów i DNA w tej komórce na wszystkich etapach następnego cyklu komórkowego?

3. W procesie mejozy jeden z ludzkich chromosomów homologicznych nie dzielił się (niedysjunkcja). Ile chromosomów zawiera każda komórka powstała w wyniku takiej mejozy?

4. W komórce zwierzęcej diploidalny zestaw chromosomów wynosi 46. Określić liczbę cząsteczek DNA przed mejozą, po pierwszym i po drugim podziale?

5. Komórka gonady przed mejozą ma genotyp aaBvCC. Napisz genotypy komórek:

a) dla wszystkich etapów spermatogenezy;

b) dla wszystkich etapów oogenezy.

6. Ile jaj może wyprodukować 500 oocytów pierwszego rzędu? 500 oocytów II rzędu? Wyjaśnij swoją odpowiedź za pomocą diagramu oogenezy.