ДІЯ ГЕНІВ
Під дією генів (експресією, виразом генів) розуміють здатність їх контролювати властивості або, точніше, синтез білків. Для дії генів характерний ряд особливостей, найважливішою з яких є їх експресивність, під якою розуміють ступінь фенотипової вираженості генів, тобто «силу» дії генів, що виявляється в ступені розвитку контрольованих ними ознак. Термін запропонований М. В. Тимофєєвим-Ресовський (1900-1981). Експресивність генів не є постійною властивістю спадковості, бо вона дуже варіабельна у рослин, тварин і у людини. Наприклад, у різних людей проявляється по-різному така ознака, як здатність відчувати смак фенілтіокарбаміда. Для одних людей це речовина є занадто гірким, для інших його гіркоту здається меншою, що є результатом різного ступеня експресивності гена, контролюючого здатність відчувати смак цього з'єднання. Прикладом варіабельності експресивності генів є також експресивність домінантного гена, контролюючого ювенильную катаракту очей людини. Експресія цього гена у різних індивідуумів варіює від слабкого помутніння кришталика очей до його повної непрозорості.З іншого боку, для дії генів у ссавців характерний так званий геномний імпрінтінг, що полягає в тому, що два алелі гена експресуються диференційно, тобто експресується тільки один алель з двох алелів (батьківського і материнського), успадкованих від батьків. Наприклад, у людини ген інсулінподобного чинника 2 нормально експресується тільки з алелі, успадкованого від батька, тоді як сусідній з ним ген, що кодує нетрансльованою РНК, експресується тільки з алелі, успадкованого від матері.
Найважливішою особливістю дії генів є також їх пенетрантность, вперше описана теж Н. В. Тимофєєвим-Ресовський. Під нею розуміють частоту прояву того чи іншого гена, вимірювану частотою народження ознаки в популяції, тобто частотою зустрічальності в популяції організмів, що володіють цією ознакою. Перетрантность є статистичною концепцією регулярності, з якою виражається (експресується) той чи інший ген в популяції. Якщо який-небудь ген в популяції фенотипічно виражається у індивідуумів, кількість яких складає 75% обстежених, то вважають, що його пенетрантность теж становить 75%. Наприклад, домінантний ген, що контролює зміна кольору склери очей людини зустрічається у 90% людей. Отже, пенетрантность цього гена становить 90%.
Експресивність і пенетрантність схильні до коливань. Причини цих коливань не зовсім ясні. Тим не менш, зазвичай варіабельність в експресивності і пенетрантності генів пояснюють або модифікує впливом інших генів, які отримали назву генів-модифікаторів, або спільною дією обох цих факторів, а можливо й інших факторів. Облік природи експресивності і пенетрантності генів має велике практичне значення у генетиці людини, тварин і рослин. У випадку людини ці явища враховують при діагностиці спадкових хвороб, тоді як у тваринництві і рослинництві вони використовуються в селекції тварин і рослин.
Організми успадковують від своїх батьків не ознаки і не властивості, як це довго вважали раніше. Вони успадковують гени, які діють протягом всього життя організмів. Відповідно до існуючих уявленнями дію генів здійснюється через мРНК і призводить до утворення білків. Отже, мРНК є первинними продуктами, тоді як білки є кінцевими продуктами дії генів, тобто результатом дії генів. Іншими словами, гени контролюють структуру білків і нічого більше.
Оскільки матеріалом генів є ДНК, то на самому початку після відкриття генетичної ролі ДНК виникло питання і зводився до наступного: яким чином ДНК здійснює свої функції в контролі синтезу білків? Відповідь на це питання полягає в тому, що в ДНК міститься (закодована) генетична інформація про синтез білків, тобто в ДНК міститься генетичний код, під яким розуміють систему запису в молекулах ДНК генетичної інформації про синтез білків. Реалізація генетичного коду відбувається в два етапи, один з яких називають транскрипцією, другий - трансляцією. Потік інформації реалізується за схемою ДНК - РНК - білок. З тих пір, як були відкриті генетичний код і механізми його реалізації (дії), ця схема отримала назву центральної догми біології.
СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ ГЕНЕТИЧНОГО КОДА
Як зазначено вище, генетична інформація про синтез білків міститься в молекулах ДНК і закодована за допомогою коду, який отримав назву генетичного. Код, його структура і властивості були відкриті в 60-х роках.Структура генетичного коду характеризується тим, що він є триплетних, тобто складається з триплетів (трійок) азотистих основ ДНК, які отримали назву кодонів. З 64 (4 х 4 х 4) можливих поєднань нуклеотидів (кодонів) 61 є кодований, кодуючи місце амінокислоти в поліпептиду. Три кодону, не кодуючи місця амінокислот у поліпептиди, детерміні-ють лише зупинку синтезу поліпептиду. Тому вони названі стоп-кодонами або, іноді, терминирующего кодонами. Отже, один кодон кодує місце однієї амінокислоти в поліпептидному ланцюзі
Що стосується властивостей генетичного коду, то їх кілька. Код є пеперекривається, лінійним, які не мають пунктуації («ком»), що забезпечує вільні простору між кодонами, і виродженим.
Неперекриваемость генетичного коду означає, що будь-яке азотна основа є членом тільки один кодон. Жодне азотна основа не входить одночасно в два кодону. Наприклад, у послідовності ААГАУАГЦА є три кодону ААГ, АУА, ГЦА, але не перекриваються кодони ААГ, АГА, ГАУ і т. д.
Код є лінійним з тієї причини, що молекули ДНК є лінійними полімерами. Кодони у вигляді триплетів азотистих основ ідуть уздовж молекули ДНК без перерв у напрямку від 5'-конп: а до 3'-кінця, причому між кодонами немає вільних просторів, немає пунктуації.
Виродженість коду визначається тим, що місце в поліпептиди однієї і тієї ж амінокислоти може кодуватися одночасно кількома кодонами, але не спільно, а роздільно. Це поширюється на всі амінокислоти, крім метіоніну і триптофану, яким відповідають поодинокі кодони
Транскрипції і трансляції
«Міст» між геном (кодонами) і білком забезпечується РНК. Точніше, інформація, закодована в послідовності азотистих основ ДНК, спочатку переноситься від ДНК до матричної РНК (мРНК). Цей етап перенесення інформації носить назву транскрипції і відбувається у прокаріотів в нуклеоида, а у еукаріо-тов - в ядрі. Що ж стосується перекладу інформації з мРНК в білки, то цей етап декодування отримав назву трансляції.Транскрипція - перший етап у передачі генетичної інформації, сутність якого полягає в синтезі мРНК, тобто в «переписуванні» генетичної інформації в молекули мРНК Транскрипція починається з фіксованого пункту і закінчується також у фіксованому пункті. Основними структурами, які беруть участь в транскрипції, є ДНК-матриця (ланцюг ДНК), РНК-полімераза та хромосомні білки (гістоновими та негістонових).
Молекули мРНК складають близько 3% загальної клітинної РНК. Вони дуже нестабільні. Період їх напіввиведення дуже коротким. У прокаріотів він становить 2-10 хвилин, у ссавців і людини - близько 12-16 годин, у деяких інших еукаріотів - навіть кілька тижнів. У прокаріотів молекули мРНК є безпосередніми продуктами транскрипції. Навпаки, у еукаріотів вони є продуктами процесингу первинних РНК-транскриптів
Синтез молекул мРНК відбувається в ядрі клітини і дуже схожий з реплікацією ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що в якості матриці (шаблону) для копіювання ланцюга мРНК використовується лише один ланцюг ДНК. При цьому копіювання мРНК може початися з будь-якого пункту одиночної ланцюга ДНК, до якого прикріплюється РНК-полімераза і який називають промотором. Проте можливі випадки, коли два навіть сусідніх гена можуть транскрибувати з різних кіл. Таким чином, для транскрипції може бути використана будь-яка з двох ланцюгів ДНК але в будь-якому випадку одна з ланцюгів транскрибується одними РНК-полімеразами, інша - іншими РНК-полімеразами, причому вибір ланцюга ДНК для транскрипції визначається промоторної послідовністю, яка задає напрямок руху РНК-полімерази .
Оскільки обидві ланцюга ДНК мають протилежну полярність, а ланцюга РНК ростуть лише в напрямку від 5'-кінця до 3'-кінця, то транскрипції на кожній з ланцюгів ДНК проходять в протилежних напрямках. Вибір ланцюга ДНК для транскрипції визначається змістом послідовностей на її промоторних ділянках (місцях приєднання РНК-полімерази). Ланцюг, яка містить ті ж послідовності, що і мРНК, називають кодує, а ланцюг, що забезпечує синтез мРНК (на основі комплементарного спаровування) - антікодірующей. Через зчитування коду з мРНК для його записи використовують підстави не А, Г, Т, Ц, а А, Г, У, Ц. Далі, мРНК не залишається комплементарно пов'язаної з ДНК-шаблоном, тому що вона звільняється від ДНК , яка потім відновлює свою подвійну структуру. Нарешті, молекули мРНК значно коротше ланцюга шаблону ДНК. В одній еукарітіческой клітині кількість молекул мРНК доходить до 10 000 і більше.
Однак поряд з молекулами мРНК на ДНК утворюються й інші транскрипти. Зокрема, транскрибуються молекули рибосомной і транспортних РНК, які також мають важливе значення в реалізації генетичної інформації. Всі ці РНК називають ще ядерними. Розміри транскриптів (транскрипційного молекул РНК) залежать від посилаються з ланцюга ДНК-шаблону сигналів початку та зупинення синтезу (кодонів ініціації і термінації).
Найбільш великими РНК в клітинах всіх видів є молекули Хвороби (рРНК), які виконують роль структурних компонентів рибосом. У еукаріотів синтез рРНК контролюється величезною кількістю генів (сотні-тисячі копій) і відбувається в ядерце. У клітинах людини гени для рРНК локалізовані на 13, 14, 15, 21 і 22 парах хромосом.
У менших кількостях в клітинах виявляються молекули транспортних РНК (тРНК), які беруть участь у декодуванні інформації (трансляції).
Всі РНК транскрибуються з ДНК, яка несе множинні копії відповідних генів. Безпосередніми попередниками в синтезі РНК є рібонуклеозідтріфосфати, причому тут діє те ж правило спарювання підстав за винятком того, що кодуються лише обмежені сегменти ланцюга ДНК і що тимін в ДНК замінюється на урацил в РНК. Ура-цил злучається з аденіном таким же чином, як і тимін. Ланцюг РНК зростає в напрямку від 5'-до 3'-кінця зі звільненням пірофосфату.
Синтез РНК забезпечується РНК-полімеразами. У прокаріотів синтез мРНК, рРНК і тРНК здійснює лише один тип РНК-полімерази, кількість молекул якої в клітинах досягає до 3000 молекул. Кожна з молекул цієї РНК-полімерази складається з шести поліпептидів, якими є субодиниці р 'і (3 (м. м. 155 ПОО і 151 000 відповідно), двох субодиниць а м. м. 36 000 і ще двох низькомолекулярних субодиниць (8 і ю). Ініціація транскрипції забезпечується субодиницею 5 - РНК-полімерази, яка є, по суті, фактором ініціації транскрипції. Як зазначено вище, зв'язування РНК-полімерази з ДНК відбувається на ділянці, званій промотором і містить старт-сигнал для синтезу РНК, і контролюється білковим чинником. У Е. coli промотори містять послідовність ТАТААТ (бокс Прібнау), віддалену від сайту початку транскрипції мРНК на відстань у шість підстав. Після приєднання до промотора РНК-полімераза розкручує в цій ділянці подвійну спіраль ДНК, оголюючи ланцюга, кожна з яких служить потім матрицею, на якій відбувається спарювання комплементарних основ ДНК і рібонуклеозідтріфосфатов. Як тільки відбулося спарювання двох перших мономерів РНК-полімераза просувається далі, оголюючи подальші ділянки ланцюгів ДНК і додаючи наступні мономери РНК. Подовження ланцюга РНК відбувається до тих пір, поки РНК-полімераза на своєму шляху не зустріне «стоп-сигнал» і не відокремиться потім як від ДНК-шаблону (матриці), так і РНК.
Навпаки, в клітинах еукаріотів (зокрема, у дріжджів і людини) існують три РНК-полімерази (I, II, III), що представляють собою складні молекули, що містять по кілька поліпептид-них ланцюгів. Кожна з цих РНК-полімераз, прикріплений до про-мотору на ДНК, забезпечує транскрипцію різних послідовностей ДНК. РНК-полімераза I синтезує великі рРНК (основні молекули РНК великих і малих субодиниць рибосом). РНК-полімераза II синтезує всі мРНК і частина малих рРНК, РНК-полімераза III синтезує тРНК і РНК 5з-субодиниць рибосом. Кількість РНК-полімераз в клітинах ссавців різна (близько 40 000 молекул РНК-полімераз I і II і близько 20 000 молекул РНК-полімерази III на клітину).
Еукаріотичні РНК-полімерази також характеризуються складною будовою. РНК-полімераза II багатьох організмів побудована з 12 різних поліпептидів, три з яких гомологічен-ни субодиниця р ', р і а РНК-полімерази Є. coli. РНК-полімерази I та III володіють 5 субодиницями, подібними з субодиницями РНК-полімерази II. РНК-полімераза II ініціює транскрипцію, причому для цього потрібно білок ДНК-геліказа, детермініруемая у дріжджів геном RA25, а у людини - геном XRB. Більшість еукаріотичних промоторів містять послідовність ТАТА, локалізовану на відстані від 30 до 120 підстав від сайту транскрипційного сайту. У еукаріотів для зв'язування РНК-полімерази з промотором необхідні спеціальні білки, що виконують функцію факторів ініціації транскрипції (TF I, TF II, і TF III для РНК-полімераз I, II і III відповідно).
Транскрипція у еукаріотів є більш складним процесом у порівнянні з транскрипцією у прокаріотів. Довжина послідовностей РНК (транскриптів), синтезованих тієї чи іншої РНК-полімеразою, доходить до 50 000 нуклеотидів і більше, причому за одну секунду вони подовжуються на 30 азотистих основ. Однак будучи точними копіями транскрипційного генів, що формуються первинні транскрипти є гетерогенними, тому що не на всьому протязі здатні до трансляції. З цієї причини транскрипти називають гетерогенної ядерної РНК (гяРНК) або про-мРНК.
Для того щоб про-мРНК стала «зрілої» мРНК, вона ще в ядрі залучається до процесинг, який полягає в тому, що з про-мРНК за допомогою ферментів «вирізаються» нетрансльовані ділянки (інтрони), після чого транслюються ділянки (Ексон) возз'єднуються Возз'єднання називають сплайсингом (від англ. splice - зрощувати). У результаті процесингу утворюються безперервні послідовності зрілої мРНК, які за своїми розмірами значно менше молекул про-мРНК, тобто є більш короткими Молекули гяРНК містить зазвичай більше 50 000 нуклеотидів, тоді як після сплайсингу мРНК містить всього лише 500-3000 нуклеотидів.
Підраховано, що гяРНК становить половину всієї клітинної РНК, тоді як на частку зрілої мРНК припадає лише 3% клітинної РНК.
Розміри інтронів складають зазвичай 80-1000 азотистих основ.
Біохімічні механізми сплайсингу визначаються участю в цьому процесі малих гетерогенних ядерних рібонуклеопроте-інів часток (sm RNP). Таких часток виявлено кілька (V ^, Ug, U ^, Ug та інші), кожна з яких містить по 90-150 нуклеотидів і по 10 різних білків. Всі ці структури контролюються в інтерфазних ядрі, причому їх концентрація контролюється однією з кіназ.
Один і той же транскрипт РНК може піддаватися різному сплайсірованію, в результаті чого сплайсірованние ділянки зрілої мРНК можуть кодувати різні білки, що свідчить на користь еволюційного значення цієї реакції.
Крім модифікації ядерної про-мРНК шляхом «вирізування» і сплайсингу її сегментів нерідко має місце так зване «редагування» РНК, яке полягає в конверсії однієї підстави в інше в мРНК. Наприклад, в клітинах печінки білок, що синтезується аполідопротеін має молекулярну масу порядку 512 000 дальтон, а в клітинах кишечника лише 242 000. Це є результатом конверсії цитозину в урацил (у клітках кишечника), що веде до утворення стоп-кодону, а, отже, і до синтезу більш короткого білка. Нарешті, можлива модифікація мРНК і шляхом Посттранскрипційна додавання до її 3'-кінця від 30 до 500 нуклеотидів поліаденіловой кислоти на відстані 15 нуклеотидів від послідовності ААУААА. З цієї причини транскрипцій закінчується далеко від Поліана-сигналу, а процесинг видаляє екстрануклеотіди перед Поліана-додаванням (поліаденозіном).
Молекули рРНК і тРНК також є продуктами процесингу.
Відкриття інтронів поставило питання про їх походження. У поясненні їх походження використовують дві гіпотези. Відповідно до однієї гіпотезою інтрони були представлені вже в предкової генах, відповідно до іншої інтрони були включені в гени, які оригінально були безперервними.
Поряд з описаною схемою транскрипції у деяких РНК-ових вірусів відома так звана зворотна транскрипція, при якій матрицею для синтезу ДЕК є РНК і яка здійснюється ферментом, який отримав назву зворотної транскриптази (ревертази). Тут реалізація генетичної інформації йде за схемою РНК - ДНК - білок. Як свідчать дослідження, зворотна транскриптаза знайдена як у прокаріотів, так і еукаріотів. Вважають, що ревертаза має дуже давнє походження і існувала ще до поділу організмів на прокаріоти і еукаріоти.
Трансляція є важливою складовою частиною загального метаболізму клітини та її сутність полягає в перекладі генетичної інформації з мРНК, що є первинним продуктом дії генів, в амінокислотну послідовність білків. Трансляція відбувається в цитоплазмі на рибосомах і є центральним процесом у синтезі білків, в якому крім рибосом беруть участь мРНК, 3-5 молекул рРНК, 40-60 молекул різних тРНК, амінокислоти, близько 20 ферментів (аміноацил-тРНК синтетаз), що активують амінокислоти, розчинні білки, залучаємо в ініціацію, елонгацію і терминацию поліпептидного ланцюга.
Рибосоми складаються наполовину з білка і наполовину з рРНК (по 3-5 молекул на кожну рибосому). Розміри рибосом виражають в одиницях швидкості седиментації при центрифугуванні (S). У прокаріотів розміри рибосом складають 70 S, у еукаріотів - 80 S. Рибосоми побудовані з пари субодиниць (великої і малої), які дисоціюють по завершенню трансляції мРНК. У Е. coli велика субодиниця (50 S) містить дві молекули рРНК (5 S і 23 S) і 30 поліпептидів, тоді як мала субодиниця (30 S) містить одну молекулу рРНК (16 S) і 19 поліпептидів. У еукаріотів більша субодиниця містить три різні молекули рРНК (58, 5,8 S і 20 S), тоді як мала субодиниця - одну молекулу рРНК (18 S).
Транспортні (адапторние, розчинні) РНК є малими (5 S) молекулами довжиною в 75-80 нуклеотидів. Їх необхідність в трансляції визначається тим, що на відміну від ферментів, котрі дізнаються субстрат прямим чином, кодони мРНК не здатні прямо дізнаватися амінокислоти. Для цього повинні існувати спеціальні адаптери, узнающие і кодон та амінокислоту. Функцією таких адаптерів і володіє тРНК. Нуклеотиди тРНК побудовані із залишку фосфорної кислоти, вуглеводної частини (рибози) і підстави. Головними нуклеотидами тРНК є аденіловий, гуаніловий, цітіділовий і уріділовий нуклеотиди. Разом з тим одна з особливостей структури тРНК полягає в тому, що всі вони містять по кілька незвичайних, так званих мінорних нуклеотидів, причому останні є хімічними модифікаціями адениловой, гуанілового, пітіділового і уріділового нуклеотидів (в основному у вигляді метильованих пуринів або нуклеотидів, що володіють метилірованої рибоза). Деякі з цих мінорних нуклеотидів знаходяться в одному і тому ж районі в різних тРНК.
У молекулі тРНК всупереч її одноланцюжковою структурі має місце комплементарное спаровування основ, а це веде до певної конформації тРНК, що полягає в тому, що чотири її сегменту формують згорнуту структуру (вторинну), яка має форму листа конюшини. У свою чергу ця структура піддається подальшому згортання, перетворюючись на так звану многоскладчатую L-образну форму. Найважливіша особливість тРНК полягає в тому, що з обох кінців L-подібної фігури зберігаються неспарені нуклеотиди. Нуклеотиди одного кінця фігури формують антикодон, а нуклеотиди іншого кінця (3'-кінця) утворюють послідовність (ЦЦА), що забезпечує ковалентний зв'язок з приєднуваної вільної амінокислотою.
Всі тРНК характеризуються специфічною послідовністю нуклеотидів. Їх антикодоном комплементарні кодонам мРНК. Антикодоном розташовуються в центрі тРНК. Відомо 55 антико-донів. Кожна тРНК здатна приєднувати і переносити тільки одну амінокислоту, але на кожну амінокислоту є 1-4 молекул тРНК.
Перший етап трансляції відбувається в цитоплазмі і полягає в комбінуванні кожної амінокислоти з АТФ (в освіті аденілірованной амінокислоти) і специфічним ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою У результаті цього встановлюється зв'язок між фосфатом АМФ і карбоксильною групою амінокислоти (-Р-О-С-), яка призводить до утворення комплексів, що складаються з амінокислоти, АМФ і специфічного ферменту. Пірофосфати в процесі утворення цих комплексів видаляються. Слід зауважити, що для кожної амінокислоти існує своя синтетаза, тобто в клітинах є 20 різних синтетаз.
Другий етап трансляції здійснюється також у цитоплазмі. Оскільки аміноацил-тРНК-синтетази специфічно розпізнають амінокислоти та їх тРНК, то другий етап полягає у взаємодії утворених комплексів амінокислота - АМФ - специфічний фермент (аміноацил-тРНК-синтетаза) із специфічними тРНК (один комплекс - одна тРНК). Оскільки на одному з кінців є послідовність (кінцеве підстава - аденін, а два попередніх - цитозин і цитозин), то зв'язування однієї амінокислоти зі специфічної тРНК відбувається шляхом встановлення зв'язку між рибоза кінцевого нуклеотиду (адениловой кислотою) і карбоксильною групою амінокислоти (-С-О -С-). Внаслідок цієї взаємодії відбувається формування так званих аміноацил-тРНК, що представляють собою комплекси амінокислоти зі специфічної тРНК, і звільнення в процесі утворення цих комплексів АМФ і ферменту (аміноацил-тРНК-синтетази). Отже, аміноацил-тРНК є прямими попередниками поліпептидного синтезу на рибосомах.
Здійснення цих двох етапів призводить до активації амінокислот. Одні синтетази активують 2'-гідроксил кінцевого підстави тРНК, тоді як інші активують 3'-гідроксил, а деякі активують і 2'-і 3'-гідроксили. Проте ці відмінності не мають значення, оскільки після звільнення аміноацільная група на тРНК мігрує взад і вперед.
Третій етап трансляції здійснюється на рибосомах і полягає в декодуванні мРНК. У ньому беруть участь як мРНК, так і різні аміноацил-тРНК. Як зазначено вище, мРНК, яка відійшла від ДНК в ядрі і пройшла через ядерну мембрану в цитоплазму, прикріплюється до РНК-послідовності меншою (30 S) субодиниці рибосоми. Вище зазначено також, що послідовність мРНК, яка зв'язується з послідовністю рРНК рибосомной субодиниці 30 S, отримала назву рібосомосвязивающего сайту або послідовність Шайн-Дальгарно. Тим часом кожна рибосома має два сайти, що пов'язують тРНК. Сайт А чи аміноацил-тРНК-зв'язуючий ділянку (акцепторний сайт), пов'язує приходить аміноацил-тРНК, яка несе амінокислоту, призначену для додавання в зростаючу поліпептидний ланцюг поряд з раніше доданої амінокислотою. Сайт Р, або пептидил-тРНК-зв'язуючий сайт (донорний сайт), пов'язує пептидил-тРНК, до якої прикріплений зростаючий поліпептид. Специфічність зв'язування аміноацил-тРНК в цих сайтах забезпечується кодонами мРНК, які складають частину сайтів А і Р. Це зв'язування відбувається завдяки водневим зв'язкам, що встановлюються між певними підставами (антикодоном) кожної аміноацил-тРНК і відповідними підставами (кодоном) мРНК. Перше і друге підстави кодону завжди спаровуються з третім і другим (відповідно) підставами антикодоном, тоді як третя підстава кодону, якщо воно є урацилом, злучається з гуаніном або гіпоксантин антикодоном, якщо ж воно є аденіном - то з гіпоксантин антикодоном, але якщо гуаніном - то з урацилом антикодоном. Як уже зазначено, в забезпеченні взаємодії мРНК з тРНК бере участь рРНК 16 S.
Після зв'язування з мРНК аміноацил-тРНК поміщають (включають) амінокислоти уздовж молекули мРНК в послідовності, відповідній послідовності кодонів азотистих основ у мРНК Нарощування поліпептидного ланцюга забезпечується тим, що при синтезі білка рибосоми (полісоми) рухаються вздовж ланцюга мРНК, тобто рибосоми здійснюють зчитування мРНК від одного кінця до іншого Ефективність роботи рибосом надзвичайно велика. Наприклад, у бактерій одна рибо-сома за 1 секунду приєднує до поліпептидного ланцюга понад 20 амінокислот. Одночасно відбувається формування пептидних зв'язків, що забезпечується декількома ферментами-трансфераза, один з яких каталізує одночасно зв'язування аміноацил-цил-тРНК з рибосомной, що відбувається в присутності ГТФ як кофактора. Кожна пептидний зв'язок утворюється ковалентним зв'язуванням атома вуглецю карбоксильної групи першої амінокислоти з аміногрупою другий амінокислоти. При цьому в процесі зв'язування відбувається відкріплення тРНК перший амінокислоти від вуглецю карбоксильної групи своєю амінокислоти. Кожна знову додається амінокислота встає на місце, що випливає за амінокислотою, доданий раніше. Як видно, поліпептидний ланцюг нарощується з карбоксильного кінця, а амінокислоти додаються послідовно. Трансляція здійснюється в напрямку від 5'-до 3'-кінця поліпептидного тяжа.
тРНК характеризуються виключно високою специфічністю, що проявляється в їх антікодонових послідовностях, відповідних кодонам, доступності для розпізнання потрібної аміноацил-тРНК-синтетазою і в точності зв'язування з сайтами А та Р на рибосомах.
Ініціація, елонгація і термінація поліпептидного синтезу знаходяться під генетичним контролем.
Поряд з кодонами, що детермінують послідовність амінокислот, існують кодони, що визначають початок і кінець читання іРНК. У синтезі білка істотна роль належить N-кінцевий амінокислоті формілметіоніну і його тРНК. N-формілметіоніл-тРНК (ОНБ × NH × CH × (CH2 × CH2 × SCH 3) CO × Про × тРНК) утворюється в результаті Формілювання а-аміногрупи метіоніну NH2 × СН (СН2 × СН2 × SCH 3) × СВ × ВІН у метионит-тРНК. Оскільки формулювання характерно тільки для метіоніну і каталізується ферментом трансформілазой, то вважають, що формілметіонін-тРНК є ініціатором синтезу поліпептиду. Це означає, що всі поліпептиди в процесі синтезу починаються з метіоніну. N-формілметіонін є N-кінцевий амінокислотою всіх білків.
Ініціація поліпептидного ланцюга у кишкової палички починається з утворення комплексу між мРНК, формілметіонін-тРНК і рибосомной одиницею 30 серпня, яке забезпечується факторами (білками) ініціації IF1, IF2 і IF3, а також ГТФ. Цей комплекс вступає в комбінацію з 50 S-рибосомной одиницею, в результаті чого формілметіонін-тРНК стає пов'язаної з пептіділовим сайтом. Енергія для цього забезпечується гідролізом однієї молекули ГТФ. Кодони АУГ, ГУА і Гуг на 5'-кінці або поруч з ним направляють включення N-формілметіоніна як N-кінцевої амінокислоти білка. Можна сказати, що ці кодони є специфічними ініціаторами білкового синтезу. Найбільш активним є кодон АУГ.
Елонгація (подовження) поліпептидного ланцюга забезпечується білковими факторами елонгації ef-TS і EF-Tu, а також гідролізом однієї молекули ГТФ, а рух молекули мРНК з одного сайту рибосоми на інший забезпечується фактором елонгації EF-G і гідролізом однієї молекули ГТФ. Кожного разу мРНК рухається на три нуклеотиду. У бактерій частота елонгації становить 16 амінокислот в секунду. Це означає, що рибосоми рухаються уздовж мРНК зі швидкістю 48 нуклеотидів в секунду.
Термінація (закінчення) синтезу детермінується стоп-кодо-нами УАГ, УАА та УГА. Коли один з цих кодонів підійде до А-сайту рибосоми, то поліпептид, тРНК в Р-сайті і мРНК звільняються, а рибосомні субодиниці дисоціюють. Закінчення синтезу білка пов'язано з активністю білкових факторів звільнення - RF-1 і RF-2. Дисоційований, рибосомні субодиниці починають трансляцію іншої молекули мРНК. Більшість мРНК симультанно транслюється кількома рибосомами (полісомах). Наприклад, ланцюг гемоглобіну з 150 амінокислот синтезується на пентарібосомном комплексі. У прокаріотів синтез і трансляція мРНК відбуваються в напрямку від 5'-кінця до 3'-кінця. Далі, у них немає ядерної мембрани. Тому трансляція мРНК починається ще до завершення її синтезу. Навпаки, у еукаріотів транскрипція і трансляція розділені в часі, оскільки потрібен час для переходу мРНК з ядра через ядерну мембрану в цитоплазму.
Синтез білків є виключно точним механізмом. Узагальнені результати досліджень частоти помилок у білковому синтезі показують, що одна помилка, тобто одне включення «неправильної» амінокислоти, відбувається лише на кожні 10 000 включених амінокислот. Точність механізму білкового синтезу забезпечується точністю зв'язування амінокислот зі своїми тРНК і точністю спарювання кодонів мРНК з антикодоном тРНК.
Мітохондріальна І хлоропластної ГЕНЕТИЧНІ КОДИ
Крім генетичного коду, який міститься в ядерній ДНК, існує генетичний код, що міститься в ДНК мітохондрій тварин і людини, а також в ДНК хлоропластів рослин. У мітохондріях і хлоропластах крім ДНК існують і інші структури, які в сукупності з ДНК утворюють самостійний апарат синтезу білків. Розміри мітохондріальних рибосом дуже варіюють. Зокрема, розміри мітохондріальних рибосом людини становлять 60 S.Для мітохондріального генетичного коду характерні ті ж структури і властивості і ті ж механізми транскрипції і трансляції, що й у випадку ядерного генетичного коду. Однак відомі й відмінності. У мітохондріальної ДНК все нуклеотиди входять до складу кодонів, що кодують білки або, або рРНК і тРНК. Для трансляції використовується тільки 22 тРНК (на відміну від 31 тРНК в ядерному коді і 30 тРНК в хлоропластної коді), причому окремі молекули тРНК можуть дізнаватися будь-яку підставу, що знаходиться у кодоні в третьому положенні. Мітохондріальна ДНК людини та інших ссавців містить 64 кодони, з яких 4 є стоп-кодони.
Відомо зміст антикодоном всіх 22 тРНК Кожен антикодон у разі мітохондріального генетичного коду здатний злучатися з декількома кодонами мРНК. Наприклад, антикодон УАГ злучається з кодонами ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА і ЦУТ, що кодують лейцин. 22 антикодоном тРНК спаровуються з 60 кодонами іРНК. Встановлено, що мітохондріальні тРНК схильні до «редагування» (модифікації транспорту тРНК) шляхом Поліаденілювання, в результаті чого створюються антикодоном термінації.
Генетичний код ДНК і белоксинтезирующий апарат хлоропластів дещо відмінні від коду і білоксинтезуючої апарату мітохондрій.
Перш за все хлоропластних код кодує набагато більше білків у порівнянні з мітохондріальних кодом. Рибосоми хлоро-палстов подібні з рибосомами кишкової палички, а синтез поліпептидного ланцюга починається з N-формілметіоніна (як і у бактерій).
УНІВЕРСАЛЬНІСТЬ І ПОХОДЖЕННЯ ГЕНЕТИЧНОГО КОДА
Генетичний код ядерної ДНК універсальний, тому що він однаковий у всіх живих істот, тобто у всіх живих істот використовуються однакові набори кодонів. Визнання універсального характеру генетичного коду є видатним сучасним доказом єдності походження органічних форм (див. глави XIV, XV і XVI).З тих пір, як були визначені основні риси структури генетичного коду, стали формулювати також гіпотези щодо його еволюції, причому до теперішнього часу відомо кілька таких гіпотез. Відповідно до однієї гіпотезою початковий код (у примітивній клітці) складався з дуже великої кількості двозначних кодонів, що виключало правильну трансляцію генетичної інформації. Тому в процесі еволюції організмів розвиток генетичного коду йшло по лінії скорочення помилок у трансляції, що призвело до коду в його сучасному вигляді. Навпаки, за іншою гіпотезою код виник в результаті зведення до мінімуму летальних ефектів мутації в процесі еволюції, причому селективне тиск вело до усунення безглуздих кодонів і до обмеження частоти мутацій у кодонах, зміни яких не супроводжувалися змінами в послідовності амінокислот, або супроводжувалися замінами лише однієї амінокислоти на іншу, але функціонально пов'язану. Розвинувшись в процесі еволюції, код одного разу став «замороженим», тобто таким, яким ми бачимо його зараз.
Відповідно до третьої гіпотезою припускають, що ранній архетіповой код був дуплетним, перебуваючи з 16 кодонів-дуплетів. Кожен з 15 дуплетів кодував кожну з 15 амінокислот, з яких, як припускають, складалися білки примітивної клітини, тоді як залишився вільним 60-й дуплет забезпечував вільний простір («пролом») між генами. У зв'язку з встановленням каталітичної здатності РНК і високої концентрації РНК в рибосомах припускають, що у примітивних клітинах молекули тРНК самі каталізували своє зв'язування з амінокислотами, а роль рибосом виконували першу рРНК. Триплетних код виник тоді, коли в процесі еволюції утворилися інші п'ять амінокислот, причому його виникнення пов'язане з додаванням третього заснування в кожен кодон.
Припускають, що сучасний генетичний код є результатом тривалої еволюції примітивного коду, кодованого лише кілька амінокислот, до того ж лише кількома триплетами, складеними з азотистих основ двох типів.
У подальшому еволюція коду полягала у зменшенні кількості безглуздих триплетів і збільшенні кількості смислових. Це призвело до того, що більшість триплетів стало "читатися». Завершальна стадія в еволюції коду була пов'язана зі збільшенням кількості амінокислот, схильних до «розпізнаванню» відповідними нуклеотидами (триплетами), а також із синтезом клітинами відповідних тРНК і активують ферментів. Коли кількість і структура білків стали такими, що вже жодна нова амінокислота не могла поліпшити селективні переваги організмів, код «заморозився» в його сучасному вигляді.
Що стосується мітохондріального коду, то його вважають більш примітивним в порівнянні з ядерним. Припускають, що, наприклад, антикодон УАА в сучасному мітохондріальному коді міг бути також і антикодоном архетіпового коду для кодонів, у яких перші дві підстави є У, а третє могло бути У, Ц, А чи Г. Але можна припускати, що мітохондріальний код виник в результаті спрощення бактеріального коду, якщо визнати походження мітохондрій від бактерій. Оцінюючи особливості білкового синтезу, контрольованого мітохондріальних генетичним кодом у порівнянні про хлоропластних, залишається неясним, чому хло-ропластний генетичний код кодує набагато більше білків у порівнянні з мітохондріальних генетичним кодом.
Як видно, сучасні погляди на походження і еволюцію генетичного коду дуже суперечливі, бо поки немає ще експериментальних даних, які можна було б використовувати для достатнього обгрунтування тієї чи іншої гіпотези.
Відомості про регуляторні механізми експресії генів здебільшого отримані в результаті вивчення зразків контролю активності генів, які розповсюджуються на послідовність реакції в біосинтезі мікроорганізмами білків, на гени фага лямбда, 5 S-гени Xenopus, гени, що забезпечують схрещування дріжджів, і гени, залучені в контроль розвитку еукаріотів. Порівняння механізмів, контролюючих дію генів у різних організмів, показують надзвичайна різноманітність у цих механізмах. У цьому переконує розгляд найбільш вивчених систем. У застосуванні до бактерій відомо два механізми, один з яких контролює активність ферментів, тоді як другий - синтез ферментів (синтез специфічних білків). Сутність контролю (регулювання) активності ферментів ілюструється прикладом біосинтезу ізолейцин, раннім попередником якого є треонін і перетворення якого в ізолейцин здійснюється в результаті п'яти послідовних реакцій з участю ферментів. Якщо до культури бактерій, які мають самостійної здатністю синтезувати амінокислоти, в тому числі ізолейцин, додати ізолейцин, то це призводить до припинення клітинами синтезу даної амінокислоти. Ростові потреби клітин в цей час забезпечуються лише екзогенним ізолейцин. Механізм цього явища полягає в інгібуванні (придушенні) активності ферменту, що каталізує перетворення треоніну в наступний попередник ізолейцин. Синтез відновлюється лише тоді, коли екзогенний ізолейцин виснажується в середовищі.
Унікальність цього явища пов'язана з тим, що інгібітор (кінцевий продукт) і нормальний субстрат мають різну структуру і не конкурують за один і той же сайт зв'язування на ферменті. Можна сказати, що фермент несе два сайти зв'язування, один з яких специфічний для субстрату, інший - для інгібітору. Нормально субстрат прикріплюється до активного сайту ферменту. Однак якщо до цього специфічного сайту прикріплюється інгібітор, то настає структурне перетворення (транзицію) у ферменті, внаслідок чого нормальний субстрат більше не прикріплюється, що блокує активність ферменту, що каталізує кінець біосинтезу або одну з його стадій. Це явище отримало назву аллостеріческій транзіциі
В основі аллостеріческого взаємодії лежить будь-який вимір в активності ферменту, що викликається виборчим зв'язуванням на другому сайті ферменту, причому цей сайт не перекриває сайту на ферменті для зв'язування субстрату. Фермент, по суті, стає хімічним трансдуктор, що дозволяє взаємодія між двома молекулами - інгібітором і субстратом, яке іншим способом виключено. Певні ферменти чутливі до активированию при з'єднанні їх з еф-фекторной молекулою, відмінною від каталітичного субстрату. Крім того, певні ферменти чутливі до активированию одним метаболітом та придушенню іншим. Оскільки можливі мутації, які можуть вражати один інгібіторний сайт, не зачіпаючи іншого, фенотипічно вони проявляються в резистентності клітин до інгібування кінцевим продуктом і у виробленні ними великих кількостей кінцевого продукту. Таким чином, аллостеріческій транзицію забезпечує виключно гнучку систему регуляції активності ферментів
Синтез ферментів регулюється за допомогою індукції та репресії ферментів, які полягають у стимуляції або пригніченні синтезу специфічних ферментів як відповідної реакції на додавання в середу компонента, що підвищує концентрацію ефектора в клітці.
Прикладом індукції ферментів є випадок з ферментами бактерій, які забезпечують утилізацію лактози. Бактерії набувають здатність зброджувати лактозу після деякого культивування в присутності цього вуглеводу. Це визначається синтезом ними b-галактозидази, яка розщеплює лактозу на глюкозу і галактозу, а також b-галактозідпермеази і b-галактозідтранс-цетілази, що забезпечують проникнення субстрату в клітку і ацетилювання деяких токсичних галактозид в напрямку їхньої детоксикації (відповідно). Отже, лактоза індукує синтез ферментів, причому цей синтез є координованим.
Прикладом репресії ферментів може служити синтез триптих-фана, який утворюється з антранілової кислоти за участю ант-ранілатсінтетази. Якщо бактерії посіяти в середу, в якій в якості джерела азоту і вуглецю містяться NH 4 Cl і глюкоза, відповідно, то вони дуже добре ростуть і самостійно синтезують триптофан (як і інші амінокислоти). Але якщо в середу додати екзогенний триптофан, то бактерії перестають синтезувати цю амінокислоту. Важливо зауважити, що додавання триптофану зупиняє синтез всіх ферментів, які беруть участь в його біосинтезі. Таким чином, кінцевий продукт пригнічує весь біосинтез.
Спираючись на дані про індукції та репресії білків, французькі вчені Ф. Жакоб і Ж. Моно (1961) сформулювали модель генетичного контролю синтезу білків, компонентами якої є гени структури, регулювання та операторні гени, а також цитоплазматичний репрессор. За цією моделлю молекулярна структура білків визначається генами структури, первинним продуктом яких є мРНК. Синтез мРНК може бути розпочато лише на певному пункті ланцюга ДНК (операторові), від якої може залежати і транскрипція декількох зчеплених структурних генів. Група генів, транскрипційних активність яких координується одиночним оператором, являє собою опе-рон, що є одиницею первинної транскрипції і одиницею координованої експресії генів. Таким чином, бактеріальні оперон транскрибуються в Поліцистронна мРНК. Існують також гени-регулятори. Під контролем того чи іншого гена-регулятора продукується цитоплазматичний фактор-репрессор, який володіє реверсивної здатністю зв'язуватися зі специфічним оператором. Завдяки цьому зв'язування комбінація репрессора та оператора блокує початок транскрипції всього оперона (формування мРНК), контрольованої оператором і, отже, запобігає синтез білків, керований структурними генами, що належать оперон.
Репрессор має властивість специфічно зв'язуватися (реагувати) з малими молекулами (ефекторами). У разі індукованих ферментних систем репрессор зв'язується з оператором і блокує транскрипцію Олерон. Присутність ефектора (індуктора) пов'язує (інактивує) репрессор, і це призводить до того, що відбувається транскрипція і трансляція генів оперону. Іншими словами, репрессор, з'єднаний з ефекторів, втрачає спорідненість до оператора і не зв'язується з ним, а це супроводжується активацією оперону. У разі репрессібельних ферментів репрессор сам по собі є неактивним, тобто не має споріднення до оператора і не блокує транскрипцію оперону. Він активується лише в результаті комбінації (з'єднання) з кінцевим продуктом у біосинтезі, в результаті чого блокує транскрипцію оперону. Отже, транскрипція оперона відбувається за відсутності ефектора (кінцевого продукту), тоді як присутність ефектора супроводжується пригніченням оперону.
Регуляторні механізми у разі індуцибельних і репрессібельних систем мають негативний характер, оскільки пригнічують синтез специфічних білків. Регуляторний механізм оперує на генетичному рівні, контролюючи частоту синтезу мРНК. Оперон класифікують на Катаболізує (індуцибельних) і синтезують (репрессібельние).
Прикладом Катаболізує Оперон є лактозною оперон до складу якого входять структурні гени z, в і a, що кодують b-галактозидазу, b-пермеаз і b-трансацетілазу, відповідно, ген-регулятор lac 1, що кодує синтез репрессоpa (білок мм. 37 200, що складається з чотирьох ідентичних одиниць, що містять по 377 амінокислотних залишків), промотори P 2 і Р 1, до яких приєднується РНК-полімераза, і ген-оператор (О), керуючий функціонуванням структурних генів.
Механізм регуляції лактозного оперона полягає в тому, що за відсутності індуктора (лактози) репрессор активний, тобто продукт гена lac 1 пов'язаний з оператором O 1 у поєднанні з двома іншими операторами (О 2 і О 3) і це блокує транскрипцію полігенною мРНК , тобто попереджає рух РНК-полімерази з промотора. Оператори О 2 і О 3, яких часто називають псевдооператора, підвищують зв'язування репрессора з оператором О 1. Промотор P 1 частково перекривається другим промотором P 2, який в нормальних умовах не має істотного значення. РНК-полімераза може підходити до обох промотора, але основним все ж є промотор Р 1, оскільки рух РНК-полімерази до промотора P 2 інгібується білком CRP, який при цьому стимулює транскрипцію з промотора P 1. При наявності в середовищі індуктора репрессор втрачає активність, тобто зв'язується з індуктором, внаслідок чого оператор стає вільним (деблокуючих), і в результаті руху РНК-полімерази відбувається транскрипція мРНК. При наявності в середовищі лактози синтез ферментів збільшується в 1000 разів. Ініціація транскрипцій вимагає наявності циклічного АМФ і білка сГр. Отже, лактозною оперон контролюється негативно шляхом контролю частоти синтезу мРНК
Проте можлива й позитивна регуляція лактозного оперону. Якщо слідом за індуктором в середу, де вирощені бактерії, додати глюкозу, то настає катаболітная репресія (3-Галак-тозідази, що супроводжується зниженням рівня цАМФ. Якщо ж у культуру додати екзогенний цАМФ, то катаболітіческая репресія знімається і лактозною оперон буде функціонувати нормально. Таким чином, цАМФ є позитивним регулятором (регулювання відбувається у присутності індуктора).
Прикладом біосінтезірующего оперона є триптофанового оперон, який складається з 5 генів trpE, D, С, В і А, що кодують ферменти, які беруть участь у біосинтезі триптофану Перша хімічна реакція, характерна для синтезу триптофану (як і для тирозину і фенілаланіну), полягає у конденсації ( накопиченні) ерітрози-4-Ф і фосфоенолпіруват, необхідних для утворення З-дезокси-арабіно-гептулозоната-7-Ф (ДДГФ), катализируемого ДАГФ-синтетазою. Утворений продукт (хорізмат) за допомогою ферментів перетворюється на триптофан. Експресія цього оперона знаходиться під негативним контролем репрессора, що є продуктом гена trp R. Репресія кінцевим продуктом (тріп-тофаном) полягає в тому, що неактивний у вільному стані репрессор не заважає переходу РНК-полімерази до промотора, тобто не заважає транскрипції мРНК. Репрессор стає активним в результаті зв'язування з кінцевим продуктом (триптофаном). Коли комплекс репрессор + триптофан пов'язує оператор, то це попереджає прехода РНК-полімерази до промотора, тобто пригнічує синтез мРНК. Більш тонкий механізм полягає в тому, що продукт гена trp R (репресор) інгібує синтез однієї з ДАГФ-синтетаз, зокрема, синтетазу агон, шляхом інгібування її мРНК, а отже, інгібує і мРНК всього гистидинового оперону.
Те, що існують різні шляхи регуляції генів, підтверджується даними про регулювання оперона ara BAD, який відповідальний за метаболізм арабінози, що зустрічається зазвичай у стінках клітин рослин, а у мікроорганізмів - є одним з джерел вуглецю та енергії. Арабіноза потрапляє в організм тварини або людини з рослинною їжею, де вона метаболіт-зіруется мікроорганізмами. Однак перш вона повинна надійти в бактерії. Це надходження арабінози в бактеріальні клітини, тобто транспорт арабінози забезпечується двома незалежними системами, що представляють собою продукти генів ara Е і ara FG
Система ara Е володіє низьким спорідненням до арабінози, тому вона використовується лише при дуже високих концентраціях цього вуглеводу, тоді як система ara FG, що володіє високим спорідненістю до арабінози, використовується при дуже низьких концентраціях вуглеводу (порядку 10 -7 М).
Гени, що кодують ферменти, які необхідні для катаболізму арабінози. Катаболізм арабінози починається з того, що вона спочатку конвертується синтезируемая під контролем гена ara А арабінозной ізомерази в L-рибулезо. Потім рибулезо фосфорилюється рібулозокіназой, що є продуктом гена ara У в L-рибулезо-б-фосфат. У свою чергу рибулезо-фосфат конвертується в П-ксилозу-б-фосфат за допомогою рибулезо-фосфатепімерази, що є продуктом гена ara D. Важливо відзначити, що гени транспортної системи, а також додатковий арабінозоіндуціруемий ген і гени метаболізму арабінози локалізовані в різних районах хромосомної карти Є. coil. Всі ці набори генів регулюються позитивно арабінози.
Репресія метаболічних і транспортних генів у ага-оперон здійснюється продуктом (білком) гена ara С. Цей білок є позитивним регулятором. У той же час білок гена ага С може і репресувати експресію цих генів. Таким чином, цей білок існує у двох станах - індукуюча і репресує, індукуючи або репресуючи ініціацію транскрипції (початок синтезу мРНК) арабінозного оперону. Індукуючим властивістю білок ага С володіє в присутності арабінози, позитивно діючи на один сайт, репресують - за відсутності цього вуглеводу, діючи негативно на інший сайт.
Індукція арабінозного оперона відбувається у присутності цАМФ і білка CRP, є рецептором для цАМФ. Головна роль цього білка полягає в дозволі індукції арабінозного оперона тільки в відсутність глюкози. Це отримало назву катаболітной репресії.
Опероноподобная організація генетичного контролю дії генів показана у фага лямбда, вірусу імунодефіциту людини і багатьох інших мікроорганізмів.
Вважають, що в геномі еукаріотичних клітин міститься 10 000-50 000 генів-регуляторів. Регулюючі білки, синтезовані під контролем цих генів, зв'язуються зі специфічними послідовностями ДНК поблизу регульованих генів.
Для деяких організмів - еукаріотів (наприклад, дріжджів) також характерна опероновая організація функціонально зв'язаних генів.
Розгляд питання про регулювання дії генів у організмів на більш високому рівні еволюційної драбини показує, що тут відзначається ще більше ускладнення і різноманітність у контролі. Вивчення генів, контролюючих синтез 5S-PHK у південноафриканській жаби Xenopus показало, що в овоцита гени, що кодують 5S-PHK, експресуються лише в період розвитку овоц-тов, тоді як ядерні гени соматичних клітин, які кодують синтез 5S-PHK, експресуються як у овоцита , так і в клітинах ембріонів. Встановлено також, що синтез 5S-PHK стимулюється білковими факторами TFA, TFB і TFC. Два останніх фактори використовуються також в транскрипції інших генів.
У випадку більшості еукаріотів вважають, що у них немає опе-роноподобной організації генетичного контролю дії генів, тобто еукаріотичні гени регулюються індивідуально, транс-крібіруясь в Моноцистронна мРНК, або еукаріотичні гени регулюються частково Поліцистронна, частково Моноцистронна. На користь другого припущення свідчать дані про виявлення у нематоди С. elegans генів, організованих у оперон. У організму цього виду процесинг Поліцистронна мРНК в моно-цистрон мРНК відбувається до трансляції.
Вважають, що генетичний контроль синтезу білків у прокарі-отов і у еукаріотів здійснюється як на рівні транскрипції (частота синтезу мРНК, процесинг мРНК, транспорт мРНК з ядра, стабільність мРНК), так і на рівні трансляції (частота трансляцій, регуляції синтезу білкових факторів, відповідальних за ініціацію, елонгацію і терминацию поліпептидного ланцюга). Вважають також, що у еукаріотів в генетичній регуляції має значення структура хроматину, яка блокує доступ специфічних активують білків (активаторів) до промотором. У клітинах еукаріотів встановлено специфічний комплекс, який забезпечує АТФ-залежне руйнування нуклеосом, дозволяючи при цьому активаторам зв'язуватися з нуклеосомним стрижнем, що веде до транскрипції. З іншого боку, встановлено, що синтез деяких ферментів інтенсифікується під впливом стероїд-них гормонів. Контроль може здійснюватися і після трансляції (контроль протеолізу).
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:
· Біологія. У 2 кн. (Підручник) Під ред. В.Н. Яригіна (2003, 5-е вид., 432с., 3
· Мікробіологія. (Підручник) Гусєв М.В., Мінєєва Л.А. (2003, 464с.)
· Біологія з основами екології. (Підручник) Пехов А.П. (2000,
Припускають, що сучасний генетичний код є результатом тривалої еволюції примітивного коду, кодованого лише кілька амінокислот, до того ж лише кількома триплетами, складеними з азотистих основ двох типів.
У подальшому еволюція коду полягала у зменшенні кількості безглуздих триплетів і збільшенні кількості смислових. Це призвело до того, що більшість триплетів стало "читатися». Завершальна стадія в еволюції коду була пов'язана зі збільшенням кількості амінокислот, схильних до «розпізнаванню» відповідними нуклеотидами (триплетами), а також із синтезом клітинами відповідних тРНК і активують ферментів. Коли кількість і структура білків стали такими, що вже жодна нова амінокислота не могла поліпшити селективні переваги організмів, код «заморозився» в його сучасному вигляді.
Що стосується мітохондріального коду, то його вважають більш примітивним в порівнянні з ядерним. Припускають, що, наприклад, антикодон УАА в сучасному мітохондріальному коді міг бути також і антикодоном архетіпового коду для кодонів, у яких перші дві підстави є У, а третє могло бути У, Ц, А чи Г. Але можна припускати, що мітохондріальний код виник в результаті спрощення бактеріального коду, якщо визнати походження мітохондрій від бактерій. Оцінюючи особливості білкового синтезу, контрольованого мітохондріальних генетичним кодом у порівнянні про хлоропластних, залишається неясним, чому хло-ропластний генетичний код кодує набагато більше білків у порівнянні з мітохондріальних генетичним кодом.
Як видно, сучасні погляди на походження і еволюцію генетичного коду дуже суперечливі, бо поки немає ще експериментальних даних, які можна було б використовувати для достатнього обгрунтування тієї чи іншої гіпотези.
ГЕНЕТИЧНИЙ контроль експресії ГЕНІВ
Що розуміють під генетичним контролем експресії або регуляції дії генів? Це поняття означає, що експресія гена або набору генів може вибірково збільшуватися або зменшуватися (індукуватися або репресованих) селективно. Регулюючу дію здійснюють білки, які можуть втручатися в транскрипцію. На експресію впливає зміна рівня АТФ, але це з'єднання не є результатом.Відомості про регуляторні механізми експресії генів здебільшого отримані в результаті вивчення зразків контролю активності генів, які розповсюджуються на послідовність реакції в біосинтезі мікроорганізмами білків, на гени фага лямбда, 5 S-гени Xenopus, гени, що забезпечують схрещування дріжджів, і гени, залучені в контроль розвитку еукаріотів. Порівняння механізмів, контролюючих дію генів у різних організмів, показують надзвичайна різноманітність у цих механізмах. У цьому переконує розгляд найбільш вивчених систем. У застосуванні до бактерій відомо два механізми, один з яких контролює активність ферментів, тоді як другий - синтез ферментів (синтез специфічних білків). Сутність контролю (регулювання) активності ферментів ілюструється прикладом біосинтезу ізолейцин, раннім попередником якого є треонін і перетворення якого в ізолейцин здійснюється в результаті п'яти послідовних реакцій з участю ферментів. Якщо до культури бактерій, які мають самостійної здатністю синтезувати амінокислоти, в тому числі ізолейцин, додати ізолейцин, то це призводить до припинення клітинами синтезу даної амінокислоти. Ростові потреби клітин в цей час забезпечуються лише екзогенним ізолейцин. Механізм цього явища полягає в інгібуванні (придушенні) активності ферменту, що каталізує перетворення треоніну в наступний попередник ізолейцин. Синтез відновлюється лише тоді, коли екзогенний ізолейцин виснажується в середовищі.
Унікальність цього явища пов'язана з тим, що інгібітор (кінцевий продукт) і нормальний субстрат мають різну структуру і не конкурують за один і той же сайт зв'язування на ферменті. Можна сказати, що фермент несе два сайти зв'язування, один з яких специфічний для субстрату, інший - для інгібітору. Нормально субстрат прикріплюється до активного сайту ферменту. Однак якщо до цього специфічного сайту прикріплюється інгібітор, то настає структурне перетворення (транзицію) у ферменті, внаслідок чого нормальний субстрат більше не прикріплюється, що блокує активність ферменту, що каталізує кінець біосинтезу або одну з його стадій. Це явище отримало назву аллостеріческій транзіциі
В основі аллостеріческого взаємодії лежить будь-який вимір в активності ферменту, що викликається виборчим зв'язуванням на другому сайті ферменту, причому цей сайт не перекриває сайту на ферменті для зв'язування субстрату. Фермент, по суті, стає хімічним трансдуктор, що дозволяє взаємодія між двома молекулами - інгібітором і субстратом, яке іншим способом виключено. Певні ферменти чутливі до активированию при з'єднанні їх з еф-фекторной молекулою, відмінною від каталітичного субстрату. Крім того, певні ферменти чутливі до активированию одним метаболітом та придушенню іншим. Оскільки можливі мутації, які можуть вражати один інгібіторний сайт, не зачіпаючи іншого, фенотипічно вони проявляються в резистентності клітин до інгібування кінцевим продуктом і у виробленні ними великих кількостей кінцевого продукту. Таким чином, аллостеріческій транзицію забезпечує виключно гнучку систему регуляції активності ферментів
Синтез ферментів регулюється за допомогою індукції та репресії ферментів, які полягають у стимуляції або пригніченні синтезу специфічних ферментів як відповідної реакції на додавання в середу компонента, що підвищує концентрацію ефектора в клітці.
Прикладом індукції ферментів є випадок з ферментами бактерій, які забезпечують утилізацію лактози. Бактерії набувають здатність зброджувати лактозу після деякого культивування в присутності цього вуглеводу. Це визначається синтезом ними b-галактозидази, яка розщеплює лактозу на глюкозу і галактозу, а також b-галактозідпермеази і b-галактозідтранс-цетілази, що забезпечують проникнення субстрату в клітку і ацетилювання деяких токсичних галактозид в напрямку їхньої детоксикації (відповідно). Отже, лактоза індукує синтез ферментів, причому цей синтез є координованим.
Прикладом репресії ферментів може служити синтез триптих-фана, який утворюється з антранілової кислоти за участю ант-ранілатсінтетази. Якщо бактерії посіяти в середу, в якій в якості джерела азоту і вуглецю містяться NH 4 Cl і глюкоза, відповідно, то вони дуже добре ростуть і самостійно синтезують триптофан (як і інші амінокислоти). Але якщо в середу додати екзогенний триптофан, то бактерії перестають синтезувати цю амінокислоту. Важливо зауважити, що додавання триптофану зупиняє синтез всіх ферментів, які беруть участь в його біосинтезі. Таким чином, кінцевий продукт пригнічує весь біосинтез.
Спираючись на дані про індукції та репресії білків, французькі вчені Ф. Жакоб і Ж. Моно (1961) сформулювали модель генетичного контролю синтезу білків, компонентами якої є гени структури, регулювання та операторні гени, а також цитоплазматичний репрессор. За цією моделлю молекулярна структура білків визначається генами структури, первинним продуктом яких є мРНК. Синтез мРНК може бути розпочато лише на певному пункті ланцюга ДНК (операторові), від якої може залежати і транскрипція декількох зчеплених структурних генів. Група генів, транскрипційних активність яких координується одиночним оператором, являє собою опе-рон, що є одиницею первинної транскрипції і одиницею координованої експресії генів. Таким чином, бактеріальні оперон транскрибуються в Поліцистронна мРНК. Існують також гени-регулятори. Під контролем того чи іншого гена-регулятора продукується цитоплазматичний фактор-репрессор, який володіє реверсивної здатністю зв'язуватися зі специфічним оператором. Завдяки цьому зв'язування комбінація репрессора та оператора блокує початок транскрипції всього оперона (формування мРНК), контрольованої оператором і, отже, запобігає синтез білків, керований структурними генами, що належать оперон.
Репрессор має властивість специфічно зв'язуватися (реагувати) з малими молекулами (ефекторами). У разі індукованих ферментних систем репрессор зв'язується з оператором і блокує транскрипцію Олерон. Присутність ефектора (індуктора) пов'язує (інактивує) репрессор, і це призводить до того, що відбувається транскрипція і трансляція генів оперону. Іншими словами, репрессор, з'єднаний з ефекторів, втрачає спорідненість до оператора і не зв'язується з ним, а це супроводжується активацією оперону. У разі репрессібельних ферментів репрессор сам по собі є неактивним, тобто не має споріднення до оператора і не блокує транскрипцію оперону. Він активується лише в результаті комбінації (з'єднання) з кінцевим продуктом у біосинтезі, в результаті чого блокує транскрипцію оперону. Отже, транскрипція оперона відбувається за відсутності ефектора (кінцевого продукту), тоді як присутність ефектора супроводжується пригніченням оперону.
Регуляторні механізми у разі індуцибельних і репрессібельних систем мають негативний характер, оскільки пригнічують синтез специфічних білків. Регуляторний механізм оперує на генетичному рівні, контролюючи частоту синтезу мРНК. Оперон класифікують на Катаболізує (індуцибельних) і синтезують (репрессібельние).
Прикладом Катаболізує Оперон є лактозною оперон до складу якого входять структурні гени z, в і a, що кодують b-галактозидазу, b-пермеаз і b-трансацетілазу, відповідно, ген-регулятор lac 1, що кодує синтез репрессоpa (білок мм. 37 200, що складається з чотирьох ідентичних одиниць, що містять по 377 амінокислотних залишків), промотори P 2 і Р 1, до яких приєднується РНК-полімераза, і ген-оператор (О), керуючий функціонуванням структурних генів.
Механізм регуляції лактозного оперона полягає в тому, що за відсутності індуктора (лактози) репрессор активний, тобто продукт гена lac 1 пов'язаний з оператором O 1 у поєднанні з двома іншими операторами (О 2 і О 3) і це блокує транскрипцію полігенною мРНК , тобто попереджає рух РНК-полімерази з промотора. Оператори О 2 і О 3, яких часто називають псевдооператора, підвищують зв'язування репрессора з оператором О 1. Промотор P 1 частково перекривається другим промотором P 2, який в нормальних умовах не має істотного значення. РНК-полімераза може підходити до обох промотора, але основним все ж є промотор Р 1, оскільки рух РНК-полімерази до промотора P 2 інгібується білком CRP, який при цьому стимулює транскрипцію з промотора P 1. При наявності в середовищі індуктора репрессор втрачає активність, тобто зв'язується з індуктором, внаслідок чого оператор стає вільним (деблокуючих), і в результаті руху РНК-полімерази відбувається транскрипція мРНК. При наявності в середовищі лактози синтез ферментів збільшується в 1000 разів. Ініціація транскрипцій вимагає наявності циклічного АМФ і білка сГр. Отже, лактозною оперон контролюється негативно шляхом контролю частоти синтезу мРНК
Проте можлива й позитивна регуляція лактозного оперону. Якщо слідом за індуктором в середу, де вирощені бактерії, додати глюкозу, то настає катаболітная репресія (3-Галак-тозідази, що супроводжується зниженням рівня цАМФ. Якщо ж у культуру додати екзогенний цАМФ, то катаболітіческая репресія знімається і лактозною оперон буде функціонувати нормально. Таким чином, цАМФ є позитивним регулятором (регулювання відбувається у присутності індуктора).
Прикладом біосінтезірующего оперона є триптофанового оперон, який складається з 5 генів trpE, D, С, В і А, що кодують ферменти, які беруть участь у біосинтезі триптофану Перша хімічна реакція, характерна для синтезу триптофану (як і для тирозину і фенілаланіну), полягає у конденсації ( накопиченні) ерітрози-4-Ф і фосфоенолпіруват, необхідних для утворення З-дезокси-арабіно-гептулозоната-7-Ф (ДДГФ), катализируемого ДАГФ-синтетазою. Утворений продукт (хорізмат) за допомогою ферментів перетворюється на триптофан. Експресія цього оперона знаходиться під негативним контролем репрессора, що є продуктом гена trp R. Репресія кінцевим продуктом (тріп-тофаном) полягає в тому, що неактивний у вільному стані репрессор не заважає переходу РНК-полімерази до промотора, тобто не заважає транскрипції мРНК. Репрессор стає активним в результаті зв'язування з кінцевим продуктом (триптофаном). Коли комплекс репрессор + триптофан пов'язує оператор, то це попереджає прехода РНК-полімерази до промотора, тобто пригнічує синтез мРНК. Більш тонкий механізм полягає в тому, що продукт гена trp R (репресор) інгібує синтез однієї з ДАГФ-синтетаз, зокрема, синтетазу агон, шляхом інгібування її мРНК, а отже, інгібує і мРНК всього гистидинового оперону.
Те, що існують різні шляхи регуляції генів, підтверджується даними про регулювання оперона ara BAD, який відповідальний за метаболізм арабінози, що зустрічається зазвичай у стінках клітин рослин, а у мікроорганізмів - є одним з джерел вуглецю та енергії. Арабіноза потрапляє в організм тварини або людини з рослинною їжею, де вона метаболіт-зіруется мікроорганізмами. Однак перш вона повинна надійти в бактерії. Це надходження арабінози в бактеріальні клітини, тобто транспорт арабінози забезпечується двома незалежними системами, що представляють собою продукти генів ara Е і ara FG
Система ara Е володіє низьким спорідненням до арабінози, тому вона використовується лише при дуже високих концентраціях цього вуглеводу, тоді як система ara FG, що володіє високим спорідненістю до арабінози, використовується при дуже низьких концентраціях вуглеводу (порядку 10 -7 М).
Гени, що кодують ферменти, які необхідні для катаболізму арабінози. Катаболізм арабінози починається з того, що вона спочатку конвертується синтезируемая під контролем гена ara А арабінозной ізомерази в L-рибулезо. Потім рибулезо фосфорилюється рібулозокіназой, що є продуктом гена ara У в L-рибулезо-б-фосфат. У свою чергу рибулезо-фосфат конвертується в П-ксилозу-б-фосфат за допомогою рибулезо-фосфатепімерази, що є продуктом гена ara D. Важливо відзначити, що гени транспортної системи, а також додатковий арабінозоіндуціруемий ген і гени метаболізму арабінози локалізовані в різних районах хромосомної карти Є. coil. Всі ці набори генів регулюються позитивно арабінози.
Репресія метаболічних і транспортних генів у ага-оперон здійснюється продуктом (білком) гена ara С. Цей білок є позитивним регулятором. У той же час білок гена ага С може і репресувати експресію цих генів. Таким чином, цей білок існує у двох станах - індукуюча і репресує, індукуючи або репресуючи ініціацію транскрипції (початок синтезу мРНК) арабінозного оперону. Індукуючим властивістю білок ага С володіє в присутності арабінози, позитивно діючи на один сайт, репресують - за відсутності цього вуглеводу, діючи негативно на інший сайт.
Індукція арабінозного оперона відбувається у присутності цАМФ і білка CRP, є рецептором для цАМФ. Головна роль цього білка полягає в дозволі індукції арабінозного оперона тільки в відсутність глюкози. Це отримало назву катаболітной репресії.
Опероноподобная організація генетичного контролю дії генів показана у фага лямбда, вірусу імунодефіциту людини і багатьох інших мікроорганізмів.
Вважають, що в геномі еукаріотичних клітин міститься 10 000-50 000 генів-регуляторів. Регулюючі білки, синтезовані під контролем цих генів, зв'язуються зі специфічними послідовностями ДНК поблизу регульованих генів.
Для деяких організмів - еукаріотів (наприклад, дріжджів) також характерна опероновая організація функціонально зв'язаних генів.
Розгляд питання про регулювання дії генів у організмів на більш високому рівні еволюційної драбини показує, що тут відзначається ще більше ускладнення і різноманітність у контролі. Вивчення генів, контролюючих синтез 5S-PHK у південноафриканській жаби Xenopus показало, що в овоцита гени, що кодують 5S-PHK, експресуються лише в період розвитку овоц-тов, тоді як ядерні гени соматичних клітин, які кодують синтез 5S-PHK, експресуються як у овоцита , так і в клітинах ембріонів. Встановлено також, що синтез 5S-PHK стимулюється білковими факторами TFA, TFB і TFC. Два останніх фактори використовуються також в транскрипції інших генів.
У випадку більшості еукаріотів вважають, що у них немає опе-роноподобной організації генетичного контролю дії генів, тобто еукаріотичні гени регулюються індивідуально, транс-крібіруясь в Моноцистронна мРНК, або еукаріотичні гени регулюються частково Поліцистронна, частково Моноцистронна. На користь другого припущення свідчать дані про виявлення у нематоди С. elegans генів, організованих у оперон. У організму цього виду процесинг Поліцистронна мРНК в моно-цистрон мРНК відбувається до трансляції.
Вважають, що генетичний контроль синтезу білків у прокарі-отов і у еукаріотів здійснюється як на рівні транскрипції (частота синтезу мРНК, процесинг мРНК, транспорт мРНК з ядра, стабільність мРНК), так і на рівні трансляції (частота трансляцій, регуляції синтезу білкових факторів, відповідальних за ініціацію, елонгацію і терминацию поліпептидного ланцюга). Вважають також, що у еукаріотів в генетичній регуляції має значення структура хроматину, яка блокує доступ специфічних активують білків (активаторів) до промотором. У клітинах еукаріотів встановлено специфічний комплекс, який забезпечує АТФ-залежне руйнування нуклеосом, дозволяючи при цьому активаторам зв'язуватися з нуклеосомним стрижнем, що веде до транскрипції. З іншого боку, встановлено, що синтез деяких ферментів інтенсифікується під впливом стероїд-них гормонів. Контроль може здійснюватися і після трансляції (контроль протеолізу).
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:
· Біологія. У 2 кн. (Підручник) Під ред. В.Н. Яригіна (2003, 5-е вид., 432с., 3
· Мікробіологія. (Підручник) Гусєв М.В., Мінєєва Л.А. (2003, 464с.)
· Біологія з основами екології. (Підручник) Пехов А.П. (2000,