Mikä RNA on vastuussa proteiinisynteesistä. Proteiinisynteesi solussa - kuvaus, prosessitoiminnot. Miten rRNA toimii
Kappaleen kysymyksiä: Miten solulle ja keholle välttämättömät proteiinit muodostuvat?
Kehon painon ja organismin kasvun ylläpitämiseksi on tarpeen toimittaa proteiineja, rasvoja ja hiilihydraatteja, vitamiineja, kivennäissuoloja ja vettä ulkoisesta ympäristöstä. Aineenvaihdunta alkaa ravinteiden ja kaasujen saannista. Esimerkiksi aineenvaihdunnan alkuvaiheessa proteiinit hajoavat entsyymien vaikutuksesta erityisissä elimissä (vatsa, ohutsuolessa) tai rakenteissa (yksisoluisissa organismeissa) aminohapoiksi energian vapautuessa. Vaihdon seuraava vaihe on kemialliset reaktiot omien proteiinien, entsyymien, hormonien ja muiden proteiinirakenteiden synteesi energian avulla.
Mikä on nukleotidin rakenne? Nukleotidi on nukleiinihappomonomeeri, joka koostuu kolmesta komponentista: typpipitoisesta emäksestä, viiden hiilen sokerista ja fosforihappotähteestä.
Muista, mitä typpipitoisia emäksiä kutsutaan komplementaariseksi? Komplementaarisuus on universaali sovitusperiaate, joka on DNA:n rakenteen ja toiminnan taustalla solussa. DNA:ssa on neljä typpiemästä: adeniini (A), tymiini (T), sytosiini (C), guaniini (G). Komplementaarisuuden periaate saadaan aikaan vetysidoksilla typpipitoisten emästen välillä. Joten tymiini vastaa adeniinia, koska se muodostaa saman määrän vetysidoksia kuin adeniini. Samalla periaatteella guaniini täydentää sytosiinia. A = T, G = C.
Sivu 62. Kysymyksiä ja tehtäviä §:n jälkeen
1. Mitä ehtoja tarvitaan proteiinisynteesiin?
Jokaisella solulla on oma proteiinisarjansa. Proteiinisynteesi vaatii seuraavaa:
Rakennusmateriaalit - aminohapot;
Tietoa aminohappojen järjestyksestä polypeptidiketjussa;
Aminohappojen kantajat molekyylit;
Soluelimet, joissa proteiinimolekyylin kokoaminen - ribosomit;
Energiaa.
2. Mitä prosessia kutsutaan transkriptioksi?
Prosessi, jossa syntetisoidaan RNA-molekyyli, jonka nukleotidisekvenssi täsmälleen vastaa DNA-templaatin nukleotidisekvenssiä. Tämä on ensimmäinen vaihe proteiinien biosynteesissä. Tämä prosessi tapahtuu solun ytimessä.
3. Mikä on geneettinen koodi?
Se on järjestelmä tietojen tallentamiseen ensisijainen rakenne proteiini, jota edustaa tietty nukleotidien yhdistelmä ja niiden sijaintisekvenssi DNA- ja mRNA-molekyyleissä. Esimerkiksi HCC-tripletti koodaa aminohappoa alaniinia, GHC-tripletti koodaa glysiiniä ja niin edelleen. Kolmostyyppejä on 64. Kolme 64 tripletistä ei koodaa mitään aminohappoja, mutta määräävät proteiinisynteesin pysähtymisen, minkä vuoksi niitä kutsutaan lopetuskodoneiksi. Valmis mRNA lähetetään solun sytoplasmaan ytimestä huokosten kautta.
4. Mikä rooli tRNA-molekyylillä on proteiinien biosynteesissä?
tRNA on siirto-RNA:ta. Se kuljettaa aminohappoja. Aminohappoja löytyy sytoplasmasta. Jokainen aminohappo on toimitettava paikkaan, jossa sen tulisi olla proteiinimolekyylissä. Kuljetustoiminnon suorittavat siirto-RNA:t. Jokainen tRNA voi sisältää vain yhden 20 aminohaposta, joita käytetään proteiinisynteesissä. Siirto-RNA:t tunnistavat "oman" aminohapponsa, kiinnittävät ne molekyylin vapaaseen päähän. Tämä tapahtuu entsyymien ja ATP:n energian osallistuessa.
5. Miten tieto mRNA:n sisältämän proteiinin aminohapposekvenssistä realisoituu proteiinissa?
Tämä prosessi toteutetaan vaiheessa, jota kutsutaan kääntämiseksi. Ribosomissa on toiminnallinen keskus, jossa vain kaksi mRNA-triplettiä voi sijaita samanaikaisesti. siinä suoritetaan mRNA:lle tallennettujen tietojen kääntäminen (latinalaisesta "translatio" - siirto) aminohappojen "kieleksi", minkä seurauksena proteiinimolekyyli kertyy. tRNA:t kiinnitetään peräkkäin komplementaarisuuden periaatteella mRNA-tripletteihinsä. Kunkin tRNA:n sijainnin määrittää antikodoni, tripletti, joka sijaitsee molekyylin etuosassa. aminohapot yhdistetään peptidisidoksilla siinä järjestyksessä, joka on kirjoitettu synteesimatriisiin - lähetti-RNA:han. polypeptidiketju kasvaa mRNA:n liikkuessa ribosomin läpi. Kun mRNA:n lopetuskodoni tulee ribosomiin, peptidiketjun kokoaminen on valmis. Jatkossa proteiini saa tarvittavan rakenteen: se kiertyy tai kiertyy palloksi ja lähetetään solun haluttuun osastoon suorittamaan tehtävänsä.
6. Onko oikein väittää, että muovin ja energian aineenvaihdunnan reaktiot solussa liittyvät erottamattomasti toisiinsa ja tapahtuvat jatkuvasti? Selitä vastaus.
Joo. Kaikki aineiden muunnokset solussa on jaettu kahteen aineenvaihduntaprosessiin - muoviin ja energiaan. Energia-aineenvaihdunta on joukko kompleksisia halkaisureaktioita orgaaniset yhdisteet yksinkertaisempiin. Tämä prosessi toimittaa elimistölle monia välituotteita sen omien aineiden synteesiä varten, ja se vapauttaa kehon sisältämää energiaa. monimutkaiset aineet ah, ja sen kertyminen ATP-solulle ominaisiin yhdisteisiin. Muovinen aineenvaihdunta on joukko reaktioita monimutkaisten aineiden syntetisoimiseksi yksinkertaisemmista käyttämällä ATP:n energiaa, joka muodostui energia-aineenvaihdunnassa. Energia-aineenvaihdunnan reaktioissa vapautuva energia menee muovinvaihdon reaktioihin - aineiden synteesiin. Ja päinvastoin, energia-aineenvaihdunta etenee monien solun syntetisoimien entsyymien aktiivisella osallistumisella muovinvaihdon reaktioihin.
7. Selitä termien "tripletti", "antikodoni", "käännös" merkitys.
Tripletti tai kodoni on mRNA:n osa, joka koostuu kolmesta peräkkäisestä nukleotidista. Antikodoni on tRNA-tripletti, joka on komplementaarinen vastaavalle mRNA:lle. Translaatio on ribosomaalisten proteiinien synteesi aminohapoista mRNA:n avulla, joka tapahtuu solujen sytoplasmassa.
Yksinkertaiset orgaaniset molekyylit, kuten aminohapot tai nukleotidit, yhdistyvät muodostaen suuria polymeerejä. Kaksi aminohappoa on yhdistetty peptidisidoksella, kaksi nukleotidia fosfodiesterisidoksella. Näiden reaktioiden peräkkäinen toistuminen johtaa lineaaristen polymeerien muodostumiseen, joita kutsutaan vastaavasti polypeptideiksi ja polynukleotideiksi. DNA:n ja RNA:n muodossa olevia polypeptidejä tai proteiineja ja polynukleotideja pidetään tärkeimpinä komponentteina. Universaalit "rakennuspalikat", jotka muodostavat proteiineja, ovat vain 20 aminohappoa, kun taas DNA- ja RNA-molekyylit rakentuvat vain neljästä polynukleotidityypistä. Solu sisältää molempia polynukleotidejä - DNA:ta ja RNA:ta; evoluution aikana ne ovat erikoistuneet ja työskentelevät yhdessä, kukin suorittaen oman tehtävänsä. Polynukleotidien rakenne soveltuu hyvin tiedon tallentamiseen ja välittämiseen. Kahden polynukleotidityypin väliset kemialliset erot tekevät niistä sopivia erilaisiin tehtäviin. Esimerkiksi DNA on arkisto geneettistä tietoa, koska sen molekyyli on vakaampi kuin RNA-molekyyli. Tämä johtuu osittain siitä, että kun RNA:ssa on kaksi hydroksyyliryhmää, tämä polynukleotidi on herkempi hydrolyysille.
Näin ollen kaikki tieto minkä tahansa elävän organismin rakenteesta ja toiminnasta sisältyy koodatussa muodossa sen geneettiseen materiaaliin, joka perustuu DNA:han. DNA on pitkä kaksijuosteinen polymeerimolekyyli. Tähän jättimäiseen, kaksoiskimpun kierrettyyn molekyyliin kaikki organismin merkit on "tallennettu". Monomeeriyksiköiden (deoksiribonukleotidien) sekvenssi toisessa sen ketjussa vastaa (komplementaarinen) deoksiribonukleotidien sekvenssiä toisessa. Komplementaarisuusperiaate varmistaa kaksinkertaistuessa muodostuneiden alkuperäisten ja vasta syntetisoitujen DNA-molekyylien identiteetin (kopiot).
Täydentävän matriisikopioinnin mekanismilla on keskeinen paikka tiedonsiirtoprosesseissa biologiset järjestelmät. Jokaisen solun geneettinen informaatio on koodattu sen polynukleotidien emässekvenssiin ja tämä tieto
periytyvät sukupolvelta toiselle täydentävän emäsparin kautta.
Yksittäiset geneettiset elementit, joilla on tiukasti spesifinen funktionaalisia proteiineja tai RNA:ta koodaava nukleotidisekvenssi geenit. Geenit sijaitsevat solun ytimessä, kromosomeissa. Joissakin geeneissä on vain 800 emäsparia, kun taas toisissa noin miljoona. Ihmisellä on 80-90 tuhatta geeniä. Jotkut geenit, joita kutsutaan rakennegeeneiksi, koodaavat proteiineja, toiset vain RNA-molekyylejä. Proteiineja koodaavien geenien sisältämä tieto dekoodataan kahdessa peräkkäisessä prosessissa: RNA-synteesi, jota kutsutaan transkriptioita ja proteiinisynteesiä lähetyksiä . Ensinnäkin mRNA (lähetti-RNA) syntetisoidaan tietyssä DNA-osuudessa, kuten matriisissa; eläinsoluissa tämä prosessi suoritetaan tumassa. Sitten siirrettyään tietoa ytimestä sytoplasmaan monikomponenttijärjestelmän koordinoidun työn aikana, johon osallistuu tRNA (siirto-RNA), mRNA, entsyymit ja erilaiset proteiinitekijät, proteiinimolekyylin synteesi suoritetaan . Kaikki nämä prosessit varmistavat DNA:han salatun geneettisen tiedon oikean muuntamisen nukleotidien kielestä aminohappojen kielelle. Proteiinimolekyylin aminohapposekvenssi määrittelee yksilöllisesti sen rakenteen ja toiminnot. Nukleotidit DNA:n alayksikköinä, RNA toimivat myös energian kantajina.
DNA:n rakenne (kuvio 5) on lineaarinen polymeeri. Sen monomeeriset yksiköt (nukleotidit) koostuvat typpipitoisesta emäksestä, viiden hiilen sokerista (pentoosi) ja fosfaattiryhmästä. Fosfaattiryhmä on kiinnittynyt monosakkariditähteen 5" hiiliatomiin, orgaaninen emäs 1" atomiin. Jokaiselle nukleotidille annetaan nimi, joka vastaa sen ainutlaatuisen emäksen nimeä. DNA:ssa on kahdenlaisia emäksiä - puriini (adeniini - A ja guaniini - C) ja pyrimidiini (sytosiini - C, tymiini - T, urasiili - U).
Nukleotidit esiintyvät kahdessa optisessa isomeerissä - L ja D. Poikkeuksetta kaikki elävät organismit käyttävät vain D-muotoja nukleotidien rakentamiseen. Pienenkin määrän nukleotidien L-muotoa läsnäolo estää tai estää kokonaan DNA-synteesientsyymien toiminnan.
DNA:ssa monosakkaridia edustaa 2"-deoksiriboosi, joka sisältää yhden hydroksyyliryhmän, RNA:ssa riboosi, jossa on kaksi hydroksyyliryhmää. Nukleotidit ovat yhteydessä toisiinsa fosfodiesterisidoksilla, kun taas 5"-hiilen fosfaattiryhmä Yhden nukleotidin atomi on kytketty 3'-OH:aan viereisen nukleotidin deoksiriboosiryhmän välityksellä. Polynukleotidiketjun toisessa päässä on 3'-OH-ryhmä, toisessa 5'-fosfaattiryhmä.
Natiivi DNA koostuu kahdesta polymeeriketjusta, jotka muodostavat heliksin. Polynukleotidiketjuja, jotka on kierretty päällekkäin, pitävät yhdessä vetysidokset, jotka muodostuvat vastakkaisten ketjujen komplementaaristen emästen väliin. Tässä tapauksessa adeniini muodostaa parin vain tymiinin kanssa, guaniini - sytosiinin kanssa. Pari pohjat A-T stabiloitu kahdella vetysidoksella, pari s-s- kolme. Kaksijuosteisen DNA:n pituus mitataan yleensä komplementaaristen nukleotidien parien lukumäärällä. Esimerkiksi ihmisen kromosomin 1 DNA on yksittäinen kaksoiskierre, joka on 263 miljoonaa emäsparia pitkä.
Molekyylin sokeri-fosfaattikoostumus, joka koostuu fosfaattiryhmistä ja deoksiriboositähteistä, jotka on yhdistetty 5 "-3"-fosfodiesterisidoksella, muodostaa "kierreportaiden sivuseinät", ja A-T- ja C-C-parit muodostavat sen "askelmat". DNA-molekyylin ketjut ovat vastasuuntaisia: toisen suunta on 3"-5", toisen 5"-> 3". Nukleotideja pidetään pareina, koska DNA-molekyylissä kaksi ketjua ja niiden nukleotidit on yhdistetty pareittain ristisilloin.
Geneettisen tiedon kantajan on täytettävä kaksi vaatimusta: toistaa (toistaa) suurella tarkkuudella ja määrittää (koodi) proteiinimolekyylien synteesi. Komplementaarisuuden periaatteen mukaan jokainen DNA-juoste voi toimia templaattina uuden komplementaarisen juosteen muodostamiselle. Kun solun täytyy jakautua, juuri ennen sitä, se kopioi DNA-molekyylin ribosomeissaan. Samanaikaisesti kaksi DNA-säiettä eroaa toisistaan ja jokaiseen niistä, kuten matriisiin, kootaan tytärlanka, joka toistaa täsmälleen sen, joka oli yhdistetty tähän säikeeseen emosolussa. Tämän seurauksena ilmaantuu kaksi identtistä tytärkromosomia, jotka jakautumisen aikana jakautuvat eri solujen kesken. Näin perinnöllisten ominaisuuksien siirtyminen vanhemmilta jälkeläisille tapahtuu kaikissa solueliöissä, joissa on ydin. Siksi jokaisen replikaatiokierroksen jälkeen muodostuu kaksi tytärmolekyyliä, joilla kullakin on sama nukleotidisekvenssi kuin alkuperäisellä DNA-molekyylillä. Rakennegeenin nukleotidisekvenssi määrittelee yksiselitteisesti sen koodaaman proteiinin aminohapposekvenssin. Tämän seurauksena jokainen DNA-juoste toimii templaattina uuden komplementaarisen juosteen synteesille, ja syntetisoidun (kasvavan) juosteen emässekvenssi määräytyy templaattijuosteen komplementaaristen emästen sekvenssin mukaan.
DNA-synteesi pro- ja eukaryooteissa suoritetaan useiden eri entsyymien osallistuessa. Pääroolissa on DNA-polymeraasi, joka lisää peräkkäin kasvavan polynukleotidiketjun linkkejä komplementaarisuuden periaatteen mukaisesti ja katalysoi fosfodiesterisidosten muodostumista.
DNA:n erottamiseksi erityisiä geelejä, jotka perustuvat agaroosiin (polysakkaridi, joka on eristetty merilevää). Geelielektroforeesin muunnos agaroosigeelissä, ns pulssielektroforeesi, mahdollistaa suurten DNA-molekyylien erottamisen.
Monien nisäkkäiden geenien nukleotidisekvenssejä on määritetty, mukaan lukien hemoglobiinia, insuliinia ja sytokromi C:tä koodaavat geenit. DNA:ta koskevan tiedon määrä on niin suuri (monia miljoonia nukleotideja), että tarvitaan tehokkaita tietokoneita saatavilla olevan tiedon tallentamiseen ja analysointiin. tiedot.
Sen määrittämiseksi, mitkä geenit ovat aktiivisia tietyssä solutyypissä (spesifisten sekvenssien tunnistaminen), käytetään menetelmää nimeltä DNA-jalanjälki. DNA-fragmentit leimataan P:llä, sitten pilkotaan nukleaaseilla, erotetaan geelillä ja havaitaan radioautografialla. Jos vesiliuosta DNA kuumennetaan 100 °C:seen ja voimakkaasti alkalisoidaan (pH 13), sitten komplementaariset emäsparit sisältävät kaksi juostetta kaksoiskierre yhdessä, hajoavat ja DNA hajoaa nopeasti kahdeksi juosteeksi. Tämä prosessi ns DNA denaturaatio, aiemmin pidetty peruuttamattomana. Mutta jos täydentäviä DNA-säikeitä pidetään 65 °C:n lämpötilassa, ne pariutuvat helposti ja palauttavat kaksoiskierteen rakenteen - prosessia kutsutaan renaturaatio.
Suurin osa geeneistä sisältää koodattua tietoa proteiinisynteesistä. Polypeptideille on tunnusomaista suuri monipuolisuus, ne koostuvat aminohapoista, joissa on kemiallisesti monipuoliset sivuketjut ja ne pystyvät ottamaan erilaisia tilamuotoja, jotka ovat kyllästettyjä reaktiivisilla kohtilla. Polypeptidien ominaisuudet tekevät niistä ihanteellisia erilaisiin rakenteellisiin ja toiminnallisiin tehtäviin. Proteiinit ovat mukana lähes kaikissa elävissä järjestelmissä tapahtuvissa prosesseissa, ne toimivat biokemiallisten reaktioiden katalyytteinä, kuljettavat solujen sisällä ja välillä sekä säätelevät läpäisevyyttä. solukalvot, josta rakennetaan erilaisia rakenneosia. Proteiinit eivät ole vain elävän organismin päärakennusmateriaali, vaan monet niistä ovat entsyymejä, jotka ohjaavat solun prosesseja. Proteiinit osallistuvat motoristen toimintojen toteuttamiseen, suojaavat infektioita ja myrkkyjä vastaan sekä säätelevät muiden geenituotteiden synteesiä.
Kaikilla aminohapoilla on samanlainen kemiallinen rakenne: vetyatomi, aminoryhmä, karboksyyliryhmä ja sivuketju ovat kiinnittyneet keskushiiliatomiin. Erilaisia sivuryhmiä on 20 ja aminohappoa vastaavasti 20: esimerkiksi aminohapossa alaniini sivuketju on metyyliryhmä (taulukko 1).
Peptidisidos muodostuu yhden aminohapon karboksyyliryhmän ja toisen aminoryhmän välille. Proteiinimolekyylin ensimmäisessä aminohapossa on vapaa aminoryhmä (N-pää), viimeisessä on vapaa karboksyyliryhmä (C-pää).
Proteiinimolekyylien pituus vaihtelee 40 - 1000 aminohappotähteen välillä; proteiinimolekyylien sekvenssistä ja aminohappokoostumuksesta riippuen eri muotoinen(kokoonpano, kokoonpano). Monet toiminnallisesti aktiiviset proteiinit koostuvat kahdesta tai useammasta polypeptidiketjusta, jotka ovat joko identtisiä tai hieman erilaisia. Avaintoimintoja suorittavat proteiinit ovat monimutkaisia proteiinikomplekseja, jotka koostuvat monista erilaisista polypeptidiketjuista - alayksiköistä.
Käyttämällä geneettinen koodi polynukleotidisekvenssi määrittää aminohapposekvenssin proteiinissa; nukleotiditripletit koodaavat tiettyjä aminohappoja.
Tärkeä "siirtolinkki" geneettisen tiedon kääntämisessä nukleotidien kielestä aminohappojen kielelle - RNA (ribonukleiinihapot), jotka syntetisoidaan tietyissä DNA-osissa, kuten matriiseissa, niiden nukleotidisekvenssin mukaisesti.
RNA-molekyylit kuljettavat tietoa, niillä on kemiallinen identiteetti, joka vaikuttaa niiden käyttäytymiseen. RNA-molekyylissä on kaksi tärkeitä ominaisuuksia: sen nukleotidisekvenssiin koodattu tieto välitetään prosessissa replikointi, ja ainutlaatuinen tilarakenne määrää vuorovaikutuksen luonteen muiden molekyylien kanssa ja vasteen ulkoisiin olosuhteisiin. Molemmat ominaisuudet ovat tiedottava Ja toimiva- ovat välttämättömiä edellytyksiä evoluutioprosessille. RNA-molekyylin nukleotidisekvenssi on samanlainen kuin perinnöllinen informaatio, tai genotyyppi organismi. Tilallinen muotoilu on samanlainen fenotyyppi- luonnonvalinnan vaikutuksen alaisen organismin ominaisuuksien joukko.
RNA (kuva 5) on lineaarinen polynukleotidimolekyyli, joka eroaa DNA:sta kahdella tavalla:
1. RNA:ssa oleva monosakkaridi on riboosi, joka ei sisällä yhtä vaan kahta hydroksyyliryhmää;
2. Yksi RNA:n neljästä emäksestä on urasiili, joka korvaa tymiinin.
RNA:n olemassaolo yhden juosteen muodossa johtuu seuraavista syistä:
RNA:n muodostumisreaktiota RNA-matriisissa olevan entsyymin puuttuminen kaikissa soluorganismeissa; vain joillain viruksilla on tällainen entsyymi, jonka geenit on "tallennettu" kaksijuosteisen RNA:n muodossa, muut organismit voivat syntetisoida RNA-molekyylejä vain DNA-templaatille; koska urasiilissa ei ole metyyliryhmää, adeniinin ja urasiilin välinen sidos on epästabiili, ja toisen (komplementaarisen) juosteen "retentio" RNA:lle on ongelmallista. Yksijuosteisen rakenteen vuoksi RNA, toisin kuin DNA, ei kierry spiraaliksi, vaan muodostaa rakenteita "hiusneulojen", "silmukoiden" muodossa. Emäspariutuminen tapahtuu RNA-molekyylissä samalla tavalla kuin DNA:ssa, paitsi että A-T-parin sijasta muodostuu A-U. Komplementaariset emäkset, kuten DNA:ssa, liittyvät toisiinsa vetysidoksilla.
RNA:ta on kolme päätyyppiä:
informatiivinen (mRNA);
ribosomaalinen (rRNA);
kuljetus (tRNA).
Transkription oikeellisuus, ts. sen alku ja loppu oikealla sivustoja(spesifiset kohdat), tarjoavat spesifisiä nukleotidisekvenssejä DNA:ssa sekä proteiinitekijöitä. DNA:n transkriptio tapahtuu solun ytimessä. mRNA-molekyylit kuljettavat tietoa ytimestä sytoplasmaan, jossa sitä käytetään sellaisten proteiinien translaatioon, joiden aminohapposekvenssit on koodattu mRNA-nukleotidisekvensseihin (eli viime kädessä DNA:han). mRNA liittyy ribosomit jossa aminohapot yhdistyvät muodostaen proteiineja. Ribosomit - nukleotidihiukkasia, jotka sisältävät korkean polymeerin RNA:ta ja rakenteellinen proteiini. Ribosomien biokemiallinen rooli on proteiinisynteesi. Ribosomeissa tapahtuu yksittäisten aminohappojen yhdistäminen polypeptideiksi, mikä huipentuu proteiinien muodostumiseen.
Useimmissa prokaryooteissa kaiken RNA:n transkriptio suoritetaan saman RNA-polymeraasin osallistuessa. Eukaryooteissa mRNA:ta, rRNA:ta ja tRNA:ta transkriptoivat erilaiset RNA-polymeraasit.
Geneettisestä näkökulmasta geeni on spesifinen RNA:ksi transkriptoitunut nukleotidisekvenssi. Useimmat transkriptoidut DNA-sekvenssit ovat rakennegeenit, jossa mRNA syntetisoidaan. Rakennegeenin lopputuote on proteiini. Prokaryooteissa rakennegeeni on jatkuva osa DNA-molekyylistä. Eukaryooteissa useimmat rakennegeenit koostuvat useista erillisistä (erillisistä) koodaavista alueista - eksonit, erotettu ei-koodaavilla alueilla - nitronit. Kun eukaryoottisen rakennegeenin transkriptio on valmis, entsyymit leikkaavat intronit pois primaarisesta transkriptiotuotteesta, eksonit ommellaan toisiinsa "päästä päähän" (liitos) mRNA:n muodostumisen kanssa. Tyypillisesti eksonien pituus on 150 - 200 nukleotidia, intronien pituus vaihtelee 40 - 10 000 nukleotidin välillä.
Aktiivisesti toimivassa solussa noin 3-5 % kokonais-RNA:sta on mRNA:ta, 90 % on rRNA:ta ja 4 % on tRNA:ta. mRNA:ta voidaan edustaa kymmenillä erityyppisillä molekyyleillä; rRNA - kaksi tyyppiä. Suurempi rRNA muodostuu proteiinien kanssa ribonukleotidikompleksi, jota kutsutaan suureksi ribosomaaliseksi alayksiköksi. Pienempi rRNA on kompleksi, jota kutsutaan pieneksi ribosomaaliseksi alayksiköksi. Proteiinisynteesin aikana alayksiköt yhdistyvät muodostaen ribosomin. rRNA:lla on pääkatalyytin rooli proteiinisynteesin prosessissa; se muodostaa yli 60% ribosomin massasta. Evoluutionäkökulmasta rRNA on ribosomin pääkomponentti.
Proteiineja aktiivisesti syntetisoiva solu sisältää tuhansien ribosomien lisäksi jopa 60 erilaista tRNA:ta. tRNA on lineaarinen yksijuosteinen 75-93 nukleotidin pituinen molekyyli, jossa on useita keskenään komplementaarisia osia, jotka pariutuvat keskenään. Spesifisten entsyymien (aminoasyyli-tRNA-syntetaasien) avulla vastaava aminohappo kiinnittyy tRNA:n 3" päähän. Jokaista 20 aminohappoa, joista kaikki proteiinit muodostavat, on vähintään yksi spesifinen tRNA. tRNA-molekyylien toinen pää on kolmen nukleotidin sekvenssi, jota kutsutaan antikodoni, hän tunnistaa tietyn amme mRNA:ssa ja määrittää, mikä aminohappo kiinnittyy kasvavaan polypeptidiketjuun.
Translaatio (proteiinisynteesi) suoritetaan mRNA:n, erilaisen tRNA:n mukana, "ladattuna" vastaavilla aminohapoilla, ribosomeilla ja monilla proteiinitekijöillä, jotka saavat aikaan polypeptidiketjun synteesin aloituksen, pidentämisen ja lopettamisen.
Nukleotidisekvenssiä, joka koodaa useampaa kuin yhtä proteiinia, kutsutaan operoni. Operoni on yhden promoottorin hallinnassa ja sen transkriptio tuottaa yhden pitkän mRNA-molekyylin, joka koodaa useita proteiineja.
mRNA:n synteesi ja vastaavasti proteiinisynteesi on tiukasti säädelty, koska solulla ei ole tarpeeksi resursseja kaikkien rakennegeenien samanaikaiseen transkriptioon ja translaatioon. Pro- ja eukaryootit syntetisoivat jatkuvasti vain niitä mRNA:ita, jotka ovat välttämättömiä perustoiminnan suorittamiseksi solujen toimintoja. Muiden rakennegeenien ilmentyminen tapahtuu säätelyjärjestelmien tiukassa valvonnassa, jotka laukaisevat transkription vain silloin, kun tiettyjä proteiineja tarvitaan. Muut transkriptiotekijät ovat vastuussa transkription kytkemisestä päälle ja pois, jotka sitoutuvat vastaaviin DNA-alueisiin.
Proteiinimolekyylien synteesissä proteiinipolypeptidiketjun muodostumisen ensisijainen vaihe on aminohappojen aktivaatioprosessi adenosiinitrifosfaatin avulla. Aktivointiprosessi tapahtuu entsyymien osallistuessa, mikä johtaa aminoasyladenylaattien muodostumiseen. Sitten aminoasyyli-tRNA-syntetaasientsyymin vaikutuksesta (jokaisella 20 aminohapolla on oma erityinen entsyyminsä) "aktivoitu" aminohappo yhdistyy tRNA:han. Lisäksi aminoasyyli-tRNA-kompleksi siirtyy ribosomeihin, joissa tapahtuu polypeptidin synteesi. Peptidisidos muodostuu yhden aminohapon karboksyyliryhmän ja toisen aminoryhmän välille. Proteiinimolekyylin ensimmäisessä aminohapossa on vapaa aminoryhmä (N-pää), viimeisessä on vapaa karboksyyliryhmä (C-pää).
Muodostuneet proteiinit vapautuvat ribosomeista, ja ribosomit voivat sitten kiinnittää uusia aminoasyyli-tRNA-komplekseja ja syntetisoida uusia proteiinimolekyylejä. Ribosomit liittyvät mRNA:han, joka määrittää aminohapposekvenssin polypeptidiketjuissa. Siten ribosomien eheys ja toiminnallinen aktiivisuus soluissa on yksi niistä tarvittavat ehdot proteiinimolekyylien synteesi.
Testiohjaus luvulle 3 Valitse oikeat vastaukset:
1. Lausunto "DNA on geneettisen tiedon varasto, koska sen molekyylit, toisin kuin RNA, ovat vakaampia":
A - oikea;
B - ei totta;
B - vaatii selvennystä.
2. Geneettisen tiedon kantajan on täytettävä vaatimukset:
A - kopioi suurella tarkkuudella;
B - ei käy läpi kemiallista hydrolyysiä;
B - määrittää proteiinimolekyylien synteesi;
G - toimii energian kantajana;
D - muodostavat suljetun renkaan muotoisen rakenteen.
3. Käytä DNA-molekyylien erottamiseen:
A - suolaus pois;
B - käänteinen osmoosi;
B - pulssielektroforeesi;
G - geelielektroforeesi;
D - elektrodialyysi.
4. Ero RNA-molekyylin ja DNA-molekyylin välillä:
A - monosakkaridi on deoksiriboosi;
B - riboosi on monosakkaridi;
B - typpipitoinen emäs - tymiini;
G - typpipitoinen emäs - urasiili;
D - typpipitoinen emäs - guaniini.
5. DNA-molekyylin synteesi suoritetaan:
A - DNA-ligaasi;
B - DNA-polymeraasi;
B - nukleotidien L-muodosta;
G - nukleotidien D-muodosta;
D - nukleotidien D- ja L-muotojen seoksesta.
6. Liitos:
A - eksonien leikkaaminen mRNA-prekursorista ja intronien kovalenttinen yhdistäminen kypsien mRNA-molekyylien muodostumiseen;
B - intronien leikkaaminen mRNA-prekursorista ja eksonien kovalenttinen yhdistäminen kypsien mRNA-molekyylien muodostumiseen;
C - kypsien tRNA-molekyylien synteesi silloittamalla yksittäisiä nukleotideja "päästä päähän";
D - intronien leikkaaminen mRNA-prekursorista ja niiden kovalenttinen yhteys kypsien mRNA-molekyylien muodostumiseen;
D - eksonien ja intronien peräkkäinen kovalenttinen yhteys kypsien mRNA-molekyylien muodostumiseen.
A - kolme vierekkäistä mRNA-nukleotidia, jotka koodaavat spesifistä aminohappoa;
B - tRNA:n kolme vierekkäistä nukleotidia, jotka ovat komplementaarisia mRNA-molekyylissä olevan spesifisen kodonin nukleotidien kanssa;
B - kolme vierekkäistä tRNA-nukleotidia, jotka koodaavat spesifistä aminohappoa;
G - kolme vierekkäistä tRNA-nukleotidia, jotka koodaavat spesifistä aminohapposekvenssiä;
D - kolme vierekkäistä mRNA-nukleotidia, jotka koodaavat spesifistä aminohappoa.
8. RNA-molekyylin ainutlaatuinen tilarakenne määrää:
A - replikointiprosessi;
B - genotyyppi;
B - fenotyyppi;
D - vuorovaikutuksen luonne muiden ja ulkoisten molekyylien kanssa
ehdot; D - RNA-molekyylin lokalisointi.
9. Transkriptioprosessit menevät:
A - jatkuvasti samalla nopeudella;
B - sääntelyjärjestelmien valvonnassa;
B - ajoittain, kun energiaa kertyy;
G - liittyy DNA-molekyylien muodostumisprosesseihin;
D - nopeudella, joka on verrannollinen rakennegeenien muodostumiseen.
10. Operon:
A - DNA:n osa, joka sisältää useita rakennegeenejä;
B - DNA-segmentti, joka sisältää yhden rakennegeenin;
B - yhtä proteiinia koodaava nukleotidisekvenssi;
G - nukleotidisekvenssi, joka koodaa useampaa kuin yhtä
D on pitkä mRNA-molekyyli, joka koodaa useita proteiineja.
RNA-synteesiprosessi DNA-templaatista on täydellisimmin karakterisoitu prokaryooteille. Vaikka RNA-synteesin ja prosessoinnin säätely nisäkässoluissa eroaa prokaryoottisista systeemeistä, itse RNA-synteesiprosessit ovat käytännössä samat molemmissa organismityypeissä. Tästä syystä RNA-synteesin kuvaus prokaryooteissa on varsin soveltuva eukaryoottisoluihin huolimatta siitä, että RNA-synteesin entsyymit ja säätelysignaalit ovat erilaisia.
RNA-molekyylin ribonukleotidisekvenssi on komplementaarinen yhden DNA-ketjun deoksiribonukleotidisekvenssin kanssa (kuva 37.8). Toista kahdesta DNA-juosteesta, jota pitkin RNA-molekyylien transkriptio tapahtuu, kutsutaan koodaavaksi juosteeksi. Toista juostetta kutsutaan usein vastaavan geenin ei-koodaavaksi juosteeksi. On tärkeää ymmärtää, että kaksijuosteisessa DNA:ssa, joka sisältää useita geenejä, kunkin geenin koodaava juoste ei välttämättä ole edustettuna samassa DNA-juosteessa (kuva 39.1). Toisin sanoen yksi DNA-molekyylin juoste koodaa joitain geenejä ja ei koodaa toisia, vastaavasti. Huomaa, että lukuun ottamatta T:n korvaamista U:lla, RNA-transkriptin sekvenssi on identtinen ei-koodaavan juosteen kanssa.
DNA-riippuvainen RNA-polmeraasi on entsyymi, joka polymeroi ribonukleotidit sekvenssiksi, joka on komplementaarinen geenin koodaavalle juosteelle (kuva 39.2). Entsyymi sitoutuu koodaavan ketjun tiettyyn alueeseen, jota kutsutaan promoottoriksi. Sitten synteesi käynnistetään aloituspisteessä
Riisi. 39.2. Ribonukleotidien polymerointi RNA-sekvenssiksi, joka on komplementaarinen geenin koodaavalle juosteelle. Reaktiota katalysoi RNA-polymeraasi. (Lähettäjä: J. D. Watson, Molecular Biology of the Gene, 3. painos, Copyright 1976, 1970, 1965, W. A. Benjamin Inc. Menlo Park,
lopetussekvenssi. Transkriptoidun DNA:n aluetta promoottorin ja terminaattorin välillä kutsutaan transkriptioyksiköksi. Tuloksena olevaa suuntaan syntetisoitua RNA-molekyyliä kutsutaan ensisijaiseksi transkriptiksi. Prokaryoottisissa organismeissa primaarinen transkripti sisältää usein useiden geenien RNA-kopioita kerralla, kun taas eukaryooteissa se sisältää yleensä vain yhden geenin. Primaarisen prokaryoottisen transkriptin ja kypsän sytoplasmisen RNA:n 5-päät ovat identtiset. Tämä tarkoittaa, että transkription aloituskohta vastaa mRNA:n 5-nukleotidia. Eukaryooteissa RNA-polymeraasi II:n syntetisoimat primaariset transkriptit modifioidaan välittömästi lisäämällä "cap" - metyyliguanosiinitrifosfaatti (kuva 37.10) (se on jatkuvasti läsnä kypsän sytoplasmisen mRNA:n lopussa). Ilmeisesti capping on välttämätön sekä primaarisen transkriptin kypsymisprosessille että myöhemmälle kypsän mRNA:n translaatiolle.
E. colin DNA-riippuvainen RNA-polymeraasimolekyyli koostuu neljästä alayksiköstä - kahdesta identtisestä (a-alayksiköstä) ja kahdesta muusta - kooltaan samankaltaisista, mutta ei identtisiä P-alayksikön kanssa. Polymeraasitoiminnon suorittamiseksi on muodostettava holoentsyymi - kompleksi niin sanotusta korentsyymistä eli itse RNA-polymeraasista lisäproteiinitekijän (st-tekijän) kanssa, joka edistää polymeraasin vahvempaa sitoutumista spesifinen DNA-promoottorisekvenssi. Bakteerit tuottavat monia erilaisia st-tekijöitä, joista jokainen toimii säätelijänä, joka moduloi RNA-polymeraasin promoottorispesifisyyttä. Erilaisten st-tekijöiden esiintyminen korreloi ajallisesti erilaisten lanseerauksen kanssa integroidut ohjelmat» tietyn geenijoukon ilmentyminen prokaryoottisissa järjestelmissä, kuten bakteriofagin kehitys, itiöityminen tai vaste lämpöshokkiin.
Kuvassa 4 esitetty RNA-synteesiprosessi. 39.3 sisältää RNA-polymeraasikompleksin sitoutumisen DNA-templaattiin promoottorialueella. RNA-synteesin aloitusvaiheen jälkeen st-tekijä vapautuu ja RNA-synteesi pitenee antirinnakkaisen DNA-templaattijuosteen suuntaan. Entsyymi polymeroi ribonukleotideja spesifisessä sekvenssissä, joka heijastaa koodaavan ketjun rakennetta komplementaarisuuden periaatteen mukaisesti. Reaktion aikana vapautuu pyrofosfaattia. Sekä prokaryoottisissa että eukaryoottisissa organismeissa RNA-polymerointi alkaa yleensä puriiniribonukleotidilla.
Kun RNA-polymeraasia (koentsyymiä) sisältävä elongaatiokompleksi liikkuu koodaavaa juostetta pitkin, DNA:n pitäisi purkautua. Se on tarpeen kunnollinen koulutus komplementaariset parit ribonukleotidien kanssa, jotka on liitetty RNA-ketjuun. Kiertymättömän DNA-alueen koko on vakio koko transkriptioprosessin ajan ja on noin 17 paria polymeraasimolekyyliä kohti (ilmeisesti se ei riipu transkriptoidusta DNA-sekvenssistä). Tämä viittaa siihen, että RNA-polymeraasi liittyy lisätekijään, jolla on purkautumisaktiivisuutta, minkä vuoksi DNA-heliksi avautuu. Se tosiasia, että transkription edetessä DNA:n kaksoiskierteen täytyy avautua ja juosteiden on erotettava (ainakin tilapäisesti), tarkoittaa, että jokin nukleosomirakenteen katkeaminen on väistämätöntä.
RNA-molekyylin synteesin lopetussignaali on spesifinen sekvenssi, joka sijaitsee DNA:n koodaavassa juosteessa. Terminaatioproteiinin p-tekijä tunnistaa tämän signaalin. Tämän RNA-ketjun synteesin päätyttyä korentsyymi erotetaan DNA-templaatista ja sitoutuessaan uuteen st-tekijämolekyyliin voi tunnistaa vastaavat promoottorialueet ja aloittaa uuden RNA-molekyylin synteesin. Useat RNA-polymeraasimolekyylit voivat lukea saman koodaavan juosteen samanaikaisesti, mutta prosessia säädellään siten, että kulloinkin jokainen molekyyli transkriptoi eri osia DNA:sta. Elektronimikroskooppikuva RNA-synteesistä on esitetty kuvassa. 39.4.
Useita DNA-riippuvaisia RNA-polymeraaseja on löydetty nisäkässoluista. Niiden ominaisuudet on esitetty taulukossa. 39.1. Näyttää siltä, että jokainen näistä entsyymeistä on vastuussa erilaisten geenien transkriptiosta. molekyylipainot nisäkkään RNA-polymeraasien kolmesta tärkeimmästä luokasta vaihtelevat 500 000 ja 600 000 välillä. Heidän
(katso skannaus)
Riisi. 39.3. RNA-synteesiprosessi. Prosessin alku näkyy vasemmassa yläkulmassa, jossa sigmatekijä, joka liittyy RNA-polymeraasin ydinentsyymiin, muodostaa kompleksin, joka pystyy tunnistamaan promoottorin ja käynnistämään transkription. Prosessi päättyy RNA-polymeraasin vapautumiseen. Vapaa polymeraasi ja muut vapautuneet katalyyttiset tekijät voivat osallistua uuteen transkriptiotapahtumaan. Fer-symboli. leimattu entsyymi. (J. D. Watson, Molecular Biology of the Gene, 3. painos, Copyright 1976, 1970, 1965, W. A. Benjamin Inc. Mario Park, Kalifornia)
Taulukko 39.1. DNA-riippuvaisten RNA-polymeraasien nimikkeistö ja lokalisointi eläimillä
Riisi. 39.4. Elektronimikroskooppikuva monista kopioiduista ribosomaalisista RNA-geeneistä sammakkoeläinsoluissa. Laajentuminen Kuva osoittaa, että kun RNA-polymeraasi liikkuu geeniä pitkin, transkriptin pituus kasvaa. Lyhyt transkripti liittyy geenin lähipäähän ja paljon pidempi kauimpään. Nuolet osoittavat transkription suunnan. (Toistettu Miller O. L. Jr:n luvalla, Beatty B. R. Portrait of a Gene. J. Cell Physiol. 1969. 74:225.)
rakenteella on paljon yhteistä bakteerien DNA-riippuvaisen RNA-polymeraasin kanssa. Niissä kaikissa on kaksi suurta alayksikköä ja useita pieniä alayksikköjä. Viimeaikainen kloonaus- ja sekvensointityö on osoittanut samankaltaisuuden eukaryoottisten ja prokaryoottisten RNA-polymeraasien aminohapposekvensseissä. Yksittäisten alayksiköiden toimintoja ei ole vielä selvitetty. Joillakin niistä voi olla säätelytoimintoja, jotka tunnistavat spesifisiä promoottori- ja terminaattorisekvenssejä.
Yksi myrkkyistä, Amantia phaloides -sienen tuottama α-amanitiini, on spesifinen nukleoplasmisen DNA:sta riippuvan RNA-polymeraasin (RNA-polymeraasi II) estäjä, mikä on tehnyt siitä tehokkaan monissa molekyylibiologisissa tutkimuksissa (katso taulukko 39.1).
Transkriptiosignaalit
Kloonattujen geenien nukleotidisekvenssin analyysi paljasti joukon DNA-alueita, joilla on olennainen rooli transkriptioprosesseissa. Useiden bakteerigeenien tutkimuksen perusteella tuli mahdolliseksi rakentaa konsensusmalleja sekvensseistä, jotka suorittavat promoottorien ja transkription terminaattorien toiminnot. Bakteeripromoottorit koostuvat noin 40 nukleotidiparista (4 DNA-kaksoiskierteen kierrosta), ts. ne ovat riittävän pieniä peittääkseen ne kokonaan E. colin RNA-holopolymeraasikompleksilla. Promoottorin konsensusrakenteessa tunnistettiin kaksi lyhyttä konservoitunutta elementtiä. Noin 35 nukleotidiparin etäisyydellä 5-päästä transkription aloituspisteestä on kahdeksanjäseninen sekvenssi, joka on esitetty kuvassa 1. 39.5. Lähempänä transkription aloituspistettä (noin 10 nukleotidia) sijaitsee 6-meerinen AT-rikas alue. Hänellä on suhteellisen matala lämpötila sulaa GC-napin puutteen vuoksi. Tässä suhteessa uskotaan, että tällä alueella, jota kutsutaan TATA-sekvenssiksi (ja myös Pribnow-laatikoksi), tapahtuu helposti DNA-säikeiden dissosiaatiota niin, että promoottorialueeseen liittyvä RNA-polymeraasi pääsee käsiksi sekvenssin alueelle. koodaava juoste välittömästi promoottorin vieressä sivulta 3.
Kuten kuvassa näkyy. 39.6, p-riippuvaisille transkription lopetussignaaleille E. coli -soluissa on myös tunnusomaista tietty konsensusrakenne. Konservatiivinen terminaattorisekvenssi, joka on noin 40 nukleotidia pitkä, sisältää käänteisiä toistoja erillään toisistaan ja päättyy sarjaan AT-pareja. RNA-transkripti, joka muodostuu sen jälkeen, kun transkriptiokompleksi on kulkenut käänteisten toistojen alueen läpi, voi muodostaa molekyylinsisäisen hiusneularakenteen, joka on esitetty kuvassa 1. 39.6. Transkriptio jatkuu edelleen edellä mainitulle AT-alueelle, jonka jälkeen spesifisen terminaattoriproteiinin, ns. p-tekijän, vaikutuksesta RNA-polymeraasikompleksi pysähtyy ja dissosioituu vapauttaen primäärisen RNA-transkriptin.
Nisäkäsgeenien transkriptiosignaalit ovat odotetusti monimutkaisempia. Geenitekniikan tiedot osoittavat usean tyyppisten signaalien läsnäolon, jotka ohjaavat transkriptiota. Kahden tyyppiset signaalisekvenssit sijaitsevat lähellä varsinaista promoottorialuetta. Toinen niistä osoittaa, mistä transkription tulisi alkaa, ja toinen määrittää, kuinka usein tämän tapahtuman tulisi tapahtua. Herpesviruksen tymidiinikinaasigeenillä, joka käyttää isännän transkriptiojärjestelmää omien geeniensä ilmentämiseen, on yksi ainutlaatuinen transkription aloituskohta.
Riisi. 39.5. Bakteeripromoottorit sisältävät kaksi erittäin konservoitunutta sekvenssiä 35 ja 10 nukleotidin päässä transkription aloituspisteen -terminaalisesta puolelta, merkittynä
Riisi. 39.6. Bakteerin transkription lopetussignaali, joka koostuu käänteisistä toistoista ja AT-alueesta (yläosa), jotka on erotettu jonkin verran toisistaan. Transkription jälkeen tämä alue muodostaa sekundäärisen rakenteen RNA-transkriptiin, joka on esitetty kuvan alaosassa.
Tarkka transkriptio tästä kohdasta määrittää viereisen 5-sekvenssin, joka sijaitsee 32-16 nukleotidin päässä aloituspisteestä. Tämä alue sisältää sekvenssin TATAAAAG, joka on selvästi homologinen toiminnallisesti samankaltaisen Pribnow-laatikon (TATAAT) kanssa, joka sijaitsee tavallisesti noin 10 emäsparin etäisyydellä prokaryoottisen mRNA-synteesin aloituspisteestä. RNA-polymeraasi II todennäköisesti sitoutuu DNA:han TATA-laatikon alueella ja aloittaa RNA-synteesin noin 32 nukleotidin päässä puriininukleotidien ympäröimästä tymidiinitähteestä (kuva 39.7). Siten TATA-laatikko on todennäköisesti signaali, joka osoittaa, mistä transkription pitäisi alkaa.
Kaksi sekvenssialuetta, jotka ovat kauempana transkription aloituskohdasta, muodostavat yhden toiminnallisen elementin, joka määrittää, kuinka usein tietyn geenin transkription tulisi tapahtua. Mutaatio millä tahansa näistä alueista, jotka sijaitsevat alueella -61 - -47 ja -105 - -80 emäsparia tymidiinikinaasigeenin transkription aloituspisteestä, vähentää aloitustapahtumien frekvenssiä 10 - 20 kertaa. Tällaisten promoottorielementtien toiminta, jotka säätelevät aloituksen tarkkuutta ja taajuutta, riippuu suuresti niiden sijainnista ja suunnasta. Jopa yhden nukleotidin substituutiolla tällä alueella voi olla erittäin merkittävä vaikutus niiden toimintaan. Etäisyys transkription aloituspisteeseen on myös kriittinen; kun -suuntaus käännetään, nämä elementit menettävät yleensä säätelyaktiivisuutensa (kuva 39.8).
Kolmas sekvenssiluokka lisää tai vähentää eukaryoottisten geenien normaalia (perus) transkription tasoa. Nämä elementit sisällä
Riisi. 39.7. Tymidiinikinaasigeenin transkriptio. DNA-riippuvainen RNA-polymeraasi II sitoutuu TATA-laatikon kanssa komplementaariseen alueeseen ja aloittaa koodaavan juosteen transkription T-tähteestä, jota ympäröivät puriinit ja noin 32 nukleotidia TATA-laatikosta. Ensimmäinen, primaarisen transkriptin puriinitähde, modifioidaan nopeasti lisäämällä "korkki".
Riisi. 39.8. Kaavio tyypillisen eukaryoottigeenin säätelylohkojen järjestämisestä. Toiminnallisessa geenissä säätely- ja rakennealueet voidaan erottaa toisistaan transkription aloituskohdan avulla (näkyy nuolella). Säätelyalue koostuu kahdesta elementistä, jotka määräävät ilmentymisen perustason. Proksimaalinen elementti, TATA-laatikko, ohjaa RNA-polymeraasin transkription aloituskohtaan ja määrittää siten RNA-synteesin aloituksen tarkkuuden. Toinen säätelyelementti (ylävirtaan) ohjaa nopeutta, jolla transkriptio aloitetaan. Tämän luokan tutkituin säätelyelementti on ns. CAAT-laatikko, mutta muita elementtejä voidaan käyttää muissa geeneissä. Ilmentymisen säätelyyn osallistuvat myös tehostajat ja äänenvaimentimet - elementit, jotka lisäävät tai vähentävät transkription perustasoa, ja elementit, jotka säätelevät tiettyjen geenien ilmentymistä vasteena erilaisille signaaleille (mukaan lukien hormonit, lämpöshokki, metalli-ionit ja jotkut kemikaalit). ). Tämä sisältää myös toiminnallisesti samanlaisia elementtejä, jotka määrittävät geeniekspression kudosspesifisyyden. On mahdollista, että säätelyelementtien kaksi viimeistä lohkoa menevät toiminnallisesti päällekkäin (näkyy yhdysviivalla). Tietyn tyyppisen elementin funktion riippuvuus orientaatiosta on osoitettu nuolilla. Proksimaalisen elementin on siis välttämättä oltava suunnassa Y. CAAT-laatikko ja vastaavat elementit toimivat tehokkaimmin orientaatiossa, mutta osa toimii molemmissa orientaatioissa. Katkoviivat neliöiden välillä osoittavat, että näiden elementtien paikat suhteessa transkription aloituskohtaan eivät ole tiukasti kiinteitä. Itse asiassa ekspression säätelyelementit voivat sijaita myös oikealla (eli lähempänä 3-päätä) transkription aloituskohdasta.
niiden vaikutuksesta riippuen niitä kutsutaan "vahvistimiksi" tai "äänenvaimentimiksi". Ne voivat sijaita sekä ennen (puoli 5) että sen jälkeen (puoli 3) transkription aloituskohtaa. Toisin kuin promoottorisekvensseillä, tehostajilla ja äänenvaimentimilla voi olla a-vaikutus satojen tai tuhansien emästen päässä vastaavasta transkriptioyksiköstä. Niiden toiminta on suunnasta riippumaton.
Lopuksi, toisen säätelyelementtien luokan tiedetään tarjoavan mukautuvaa säätelyä tiettyjen geenien ilmentymiselle. Tämän luokan edustajat ovat säätelyelementtejä, jotka ovat herkkiä hormoneille (steroidit, T3, TRH, cAMP, prolaktiini jne.; katso luku 44). Tämä sisältää myös elementtejä, jotka säätelevät erityisesti solujen vastetta lämpöshokkiin, metallien ja joidenkin kemiallisten toksiinien (dioksiinin) toimintaa. Tämä luokka sisältää myös tietyt DNA-sekvenssin osat, jotka vastaavat kudosspesifisen geeniekspression säätelystä, esimerkiksi albumiinigeenin maksassa. Jotkut näistä mukautuvista rakenteista toimivat äänenvaimentimina tai tehostajina (näin glukokortikoidihormoneille herkkä säätelyelementti toimii tehostajana).
Yhteinen piirre kaikille säätelyelementeille, sekä perus- että lisäaineille, on, että niiden toiminta riippuu tiettyjen DNA-alueiden vuorovaikutuksesta spesifisten proteiinitekijöiden kanssa. Monia tällaisia proteiinitekijöitä on tunnistettu (taulukko 39.2). Sellaisen DNA-proteiinin vaikutusmekanismin tutkimus
Taulukko 39.2. Jotkut transkriptiota säätelevät säätelyelementit ja niiden sitoutumistekijät löytyvät RNA-polymeraasi II:n transkriptoimista geeneistä
Geenitranskription vuorovaikutuksia on tutkittu useissa tutkimuksissa.
Eukaryoottisen RNA-polymeraasi II:n ohjaamat transkription lopetussignaalit ymmärretään huonosti. On kuitenkin syytä uskoa, että lopetussignaalit sijaitsevat huomattavan etäisyyden päässä eukaryoottisten geenien koodaavan alueen 3-päästä. Esimerkiksi hiiren P-globiinigeenin transkription lopetussignaaleja löytyy useista kohdista 1000-2000 emästä alavirtaan kohdasta, jossa transkriptin polyadenylaatio normaalisti tapahtuu. Itse lopettamisprosessista tiedetään vain vähän. Ei tiedetä, osallistuuko lopettamiseen mitkään spesifiset proteiinitekijät, kuten bakteerien p-tekijä. - Kypsä pää syntyy jo transkription päätyttyä, ilmeisesti kahdessa vaiheessa. Kun RNA-polymeraasi II kulkee transkriptin 3-päätä koodaavan alueen läpi, RNA-endonukleaasi katkaisee primaarisen transkriptin alueella, joka on 15 emäksen päässä AAUAAA-konsensussekvenssistä. Ilmeisesti eukaryoottisissa transkripteissä AAUAAA-sekvenssi toimii RNA:n katkaisusignaalina. Vasta muodostunut 3-pää polyadenyloidaan sitten nukleoplasmassa alla kuvatulla tavalla.
DNA-riippuvainen RNA-polymeraasi III, joka transkriptoi geenejä ja pieniä tuman RNA:ita (katso luku 37), tunnistaa intrageenin promoottorin, joka sijaitsee suoraan transkriptoidussa sekvenssissä. Eukaryoottisten geenien tapauksessa intrageenin promoottorin toiminto suoritetaan kahdella erillisellä sisäisellä sekvenssilohkolla. Ne transkriptoidaan, säilytetään kypsällä alueella erittäin konservoituneella alueella ja ovat mukana DHU- ja TPC-silmukoiden muodostamisessa, vastaavasti (kuva 37.11). Tutkittaessa tRNA-geenien rakennetta in vitro todettiin, että promoottoritoimintojen suorittamiseksi kahden lohkon välisen etäisyyden tulisi olla 30–40 emäsparia. Transkriptio aloitetaan 10. ja 16. nukleotidin välisellä alueella ennen lohkoa A. Mitä tulee geeniin, jota myös transkriptoi RNA-polymeraasi III, sille paljastettiin vuorovaikutus spesifisen proteiinin transkriptiotekijän kanssa. Ilmeisesti sitoutumalla intrageeniseen promoottoriin tämä tekijä on vuorovaikutuksessa RNA-polymeraasi III:n kanssa ja säätelee entsyymin katalyyttisen keskuksen sijainnin tarkkuutta transkription aloituspisteessä.
DNA:n, RNA:n ja proteiinien synteesi
Tämän päivän luennon aiheena on DNA:n, RNA:n ja proteiinien synteesi. DNA-synteesiä kutsutaan replikaatioksi tai reduplikaatioksi (kaksinkertaistumiseksi), RNA-synteesiä kutsutaan transkriptioksi (uudelleenkirjoitukseksi DNA:n kanssa), ribosomin suorittamaa proteiinisynteesiä lähetti-RNA:ssa kutsutaan translaatioksi, eli käännetään nukleotidien kielestä aminohappoja.
Yritämme antaa lyhyen yleiskatsauksen kaikista näistä prosesseista ja samalla keskittyä tarkemmin molekyylien yksityiskohtiin, jotta saat käsityksen siitä, kuinka syvällisesti tätä aihetta on tutkittu.
DNA kopiointi
DNA-molekyyli, joka koostuu kahdesta heliksistä, kaksinkertaistuu solun jakautumisen aikana. DNA:n kaksinkertaistuminen perustuu siihen, että kun säikeet irrotetaan, jokaisesta juosteesta voidaan tehdä komplementaarinen kopio, jolloin saadaan kaksi alkuperäistä kopioivaa DNA-molekyyliä.
Yksi DNA-parametreista on myös osoitettu tässä, tämä on heliksin nousu, jokaista täydellistä kierrosta on 10 emäsparia, huomaa, että yksi askel ei ole lähimpien reunusten välissä, vaan yhden läpi, koska DNA:ssa on pieni ura ja iso sellainen. Nukleotidisekvenssin tunnistavat proteiinit ovat vuorovaikutuksessa DNA:n kanssa pääuran kautta. Heliksin nousu on 34 angströmiä ja kaksoiskierteen halkaisija on 20 angströmiä.
DNA-replikaation suorittaa DNA-polymeraasientsyymi. Tämä entsyymi pystyy kasvattamaan DNA:ta vain 3'-päässä. Muistathan, että DNA-molekyyli on vastasuuntainen, sen eri päitä kutsutaan 3΄-pääksi ja 5΄-pääksi. Uusien kopioiden synteesin aikana kussakin juosteessa yksi uusi säie pidennetään suunnassa 5΄:sta 3΄:iin ja toinen suuntaan 3΄ 5-päähän. DNA-polymeraasi ei kuitenkaan voi pidentää 5΄-päätä. Siksi yhden DNA-juosteen, sen, joka kasvaa entsyymille "sopivaan" suuntaan, synteesi jatkuu jatkuvasti (tätä kutsutaan johtavaksi tai johtavaksi juosteeksi), ja toisen juosteen synteesi suoritetaan lyhyesti. fragmentteja (niitä kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi niitä kuvaaneen tiedemiehen kunniaksi). Sitten nämä palaset ommellaan yhteen, ja tällaista lankaa kutsutaan jäljessä olevaksi langaksi, yleensä tämän langan replikaatio on hitaampaa. Replikoinnin aikana muodostuvaa rakennetta kutsutaan replikointihaarukoksi.
Jos katsomme bakteerin replikoituvaa DNA:ta, ja tämä voidaan havaita elektronimikroskoopissa, näemme, että se muodostaa ensin "silmän", sitten se laajenee, lopulta koko pyöreä DNA-molekyyli replikoituu. Replikointiprosessi tapahtuu erittäin tarkasti, mutta ei absoluuttisesti. Bakteeri-DNA-polymeraasi tekee virheitä, eli se lisää väärän nukleotidin, joka oli templaatti-DNA-molekyylissä, noin taajuudella 10-6. Eukaryooteissa entsyymit toimivat tarkemmin, koska ne ovat monimutkaisempia, DNA:n replikaation virhetaso ihmisillä on arviolta 10-7 - 10-8. Replikaation tarkkuus voi olla erilainen genomin eri alueilla, on alueita, joilla mutaatioiden esiintyvyys on lisääntynyt, ja on alueita, jotka ovat konservatiivisempia, joissa mutaatioita esiintyy harvoin. Ja tässä tulisi erottaa kaksi erilaista prosessia: DNA-mutaation ilmaantuminen ja mutaation kiinnittymisprosessi. Jos mutaatiot johtavat tappavaan lopputulokseen, niitä ei ilmene seuraavissa sukupolvissa, ja jos virhe ei ole kohtalokas, se korjataan seuraavissa sukupolvissa ja voimme tarkkailla ja tutkia sen ilmenemistä. Toinen DNA-replikaation piirre on, että DNA-polymeraasi ei voi käynnistää synteesiprosessia itsestään, se tarvitsee "siemenen". Tyypillisesti RNA-fragmenttia käytetään sellaisena siemenenä. Jos puhumme bakteerin genomista, on olemassa erityinen kohta, jota kutsutaan replikaation aloituspisteeksi (lähde, alku), tässä vaiheessa on sekvenssi, jonka RNA:ta syntetisoiva entsyymi tunnistaa. Se kuuluu RNA-polymeraasien luokkaan, ja tässä tapauksessa sitä kutsutaan primaasiksi. RNA-polymeraasit eivät tarvitse siemeniä, ja tämä entsyymi syntetisoi lyhyen RNA-fragmentin - sen "siemenen", josta DNA-synteesi alkaa.
Transkriptio
Seuraava prosessi on transkriptio. Mietitäänpä sitä tarkemmin.
Transkriptio on RNA:n synteesiä DNA:lla, toisin sanoen komplementaarisen RNA-juosteen synteesiä DNA-molekyylissä suorittaa RNA-polymeraasientsyymi. Bakteereilla, kuten Escherichia colilla, on yksi RNA-polymeraasi, ja kaikki bakteerientsyymit ovat hyvin samankaltaisia keskenään; korkeammissa organismeissa (eukaryooteissa) on useita entsyymejä, niitä kutsutaan RNA-polymeraasi I:ksi, RNA-polymeraasi II:ksi, RNA-polymeraasi III:ksi, niillä on myös yhtäläisyyksiä bakteerientsyymien kanssa, mutta ne ovat monimutkaisempia, ne sisältävät enemmän proteiineja. Jokaisella eukaryoottisen RNA-polymeraasin tyypillä on omat erityistehtävänsä, toisin sanoen se transkriptoi tietyn joukon geenejä. DNA-juostetta, joka toimii templaattina RNA-synteesille transkription aikana, kutsutaan sense- tai templaatiksi. Toista DNA-juostetta kutsutaan ei-koodaavaksi (komplementaarinen RNA ei koodaa proteiineja, se on "merkityksetön").
Transkriptioprosessissa on kolme vaihetta. Ensimmäinen vaihe on transkription aloitus - RNA-juosteen synteesin alku, ensimmäinen sidos nukleotidien välille muodostuu. Sitten lanka kasaantuu, sen venyminen - venymä, ja kun synteesi on valmis, tapahtuu lopetus, syntetisoidun RNA:n vapautuminen. Samaan aikaan RNA-polymeraasi "kuorii" DNA:n ja on valmis uuteen transkriptiosykliin. Bakteerien RNA-polymeraasia on tutkittu erittäin yksityiskohtaisesti. Se koostuu useista proteiinialayksiköistä: kahdesta α-alayksiköstä (nämä ovat pieniä alayksiköitä), β- ja β΄-alayksiköistä (suuret alayksiköt) ja ω-alayksiköstä. Yhdessä ne muodostavat niin kutsutun minimientsyymin eli ydinentsyymin. σ-alayksikkö voidaan kiinnittää tähän ydinentsyymiin. σ-alayksikkö on välttämätön RNA-synteesin käynnistämiseksi, transkription käynnistämiseksi. Kun aloitus on tapahtunut, σ-alayksikkö irtoaa kompleksista ja ydinentsyymi suorittaa jatkotyötä (ketjun venymistä). Kun σ-alayksikkö kiinnittyy DNA:han, se tunnistaa kohdan, josta transkription pitäisi alkaa. Sitä kutsutaan promoottoriksi. Promoottori on nukleotidisekvenssi, joka osoittaa RNA-synteesin alkamisen. Ilman σ-alayksikköä promoottori ei voi tunnistaa ydinentsyymiä. σ-alayksikköä yhdessä ydinentsyymin kanssa kutsutaan täydelliseksi entsyymiksi tai holoentsyymiksi.
Otettuaan kosketuksiin DNA:n, nimittäin promoottorin kanssa, jonka σ-alayksikkö tunnisti, holoentsyymi purkaa kaksijuosteisen heliksin ja aloittaa RNA-synteesin. Kiertymättömän DNA:n jakso on transkription aloituskohta, ensimmäinen nukleotidi, johon ribonukleotidi on kiinnitettävä komplementaarisesti. Transkriptio alkaa, σ-alayksikkö lähtee ja ydinentsyymi jatkaa RNA-ketjun pidentymistä. Sitten tapahtuu lopetus, ydinentsyymi vapautuu ja on valmis uuteen synteesisykliin.
Miten transkriptio pitenee?
RNA kasvaa 3'-päässä. Kun jokainen nukleotidi kiinnittyy, ydinentsyymi ottaa askeleen DNA:ta pitkin ja siirtyy yhden nukleotidin verran. Koska kaikki maailmassa on suhteellista, voimme sanoa, että ydinentsyymi on liikkumaton ja DNA "raahautuu" sen läpi. On selvää, että tulos on sama. Mutta puhumme liikkeestä DNA-molekyyliä pitkin. Ydinentsyymin muodostavan proteiinikompleksin koko on 150 Ǻ. RNA-polymeraasin mitat - 150×115×110Ǻ. Eli se on sellainen nanokone. RNA-polymeraasin nopeus on jopa 50 nukleotidia sekunnissa. Ydinentsyymin kompleksia DNA:n ja RNA:n kanssa kutsutaan elongaatiokompleksiksi. Se sisältää DNA-RNA-hybridin. Toisin sanoen tämä on paikka, jossa DNA on paritettu RNA:n kanssa, ja RNA:n 3'-pää on avoin lisäkasvulle. Tämän hybridin koko on 9 emäsparia. DNA:n kiertymätön alue on noin 12 emäsparia pitkä.
RNA-polymeraasi sitoutui DNA:han kiertymättömän kohdan edessä. Tätä aluetta kutsutaan etu-DNA-dupleksiksi ja se on kooltaan 10 bp. Polymeraasi liittyy myös pidempään DNA-osaan, jota kutsutaan taka-DNA-dupleksiksi. Bakteereissa RNA-polymeraaseja syntetisoivien lähetti-RNA:iden koko voi olla 1000 nukleotidia tai enemmän. Eukaryoottisoluissa syntetisoidun DNA:n koko voi olla 100 000 tai jopa useita miljoonia nukleotideja. Totta, ei tiedetä, onko niitä sellaisina kokoisina soluissa, tai synteesiprosessissa niillä voi olla aikaa käsitellä.
Venymäkompleksi on melko vakaa, koska hänen täytyy tehdä hienoa työtä. Eli se ei sinänsä "pudota" DNA:n kanssa. Se pystyy liikkumaan DNA:n läpi jopa 50 nukleotidin nopeudella sekunnissa. Tätä prosessia kutsutaan siirtymäksi (tai translokaatioksi). DNA:n vuorovaikutus RNA-polymeraasin (ydinentsyymin) kanssa ei riipu tämän DNA:n sekvenssistä, toisin kuin σ-alayksikössä. Ja ydinentsyymi, joka kulkee tiettyjen lopetussignaalien läpi, suorittaa DNA-synteesin loppuun.
Analysoidaanpa tarkemmin ydinentsyymin molekyylirakennetta. Kuten edellä mainittiin, ydinentsyymi koostuu a- ja p-alayksiköistä. Ne on yhdistetty siten, että ne muodostavat ikään kuin "suun" tai "kynnen". α-alayksiköt sijaitsevat tämän "kynnen" juuressa ja suorittavat rakenteellisen toiminnon. Ne eivät näytä olevan vuorovaikutuksessa DNA:n ja RNA:n kanssa. ω-alayksikkö on pieni proteiini, jolla on myös rakenteellinen tehtävä. Pääosa työstä kohdistuu β- ja β΄-alayksiköiden osuuteen. Kuvassa β΄-alayksikkö on esitetty yläosassa ja β-alayksikkö alhaalla.
"Suun" sisällä, jota kutsutaan pääkanavaksi, on entsyymin aktiivinen kohta. Täällä tapahtuu nukleotidien yhdistäminen, uuden sidoksen muodostuminen RNA:n synteesin aikana. RNA-polymeraasin pääkanava on siellä, missä DNA sijaitsee pidentymisen aikana. Jopa tässä rakenteessa sivulla on ns. toissijainen kanava, jonka kautta nukleotidit syötetään RNA-synteesiin.
Varausten jakautuminen RNA-polymeraasin pinnalle tarjoaa sen toiminnot. Jakauma on hyvin looginen. Molekyyli nukleiinihappo latautunut negatiivisesti. Siksi pääkanavan ontelo, jossa negatiivisesti varautunutta DNA:ta tulisi pitää, on vuorattu positiivisilla varauksilla. RNA-polymeraasin pinta on valmistettu negatiivisesti varautuneista aminohapoista, jotta DNA ei tarttuisi siihen.
RNA-polymeraasi toimii kuin molekyylikone, ja siinä on useita osia, joista jokainen suorittaa oman tehtävänsä. Esimerkiksi "suun" päällä roikkuva ΄-alayksikön osa pitää DNA-dupleksia eteenpäin. Tätä osaa kutsutaan "läpäksi". DNA:han sitoutumisen jälkeen läppä lasketaan 30 angströmin polun läpi ja puristaa DNA:n niin, että se ei voi pudota ulos transkriptioprosessin aikana.
"suun" sisällä on RNA-polymeraasin aktiivinen keskus, eli paikka, jossa sivukanavan kautta vastaanotetun ribonukleoizdtrifosfaatin komplementaarinen vuorovaikutus tapahtuu suoraan DNA-matriisin kanssa. Jos vasta saapunut nukleotidi on komplementaarinen templaatin kanssa, se ommellaan entsymaattisesti RNA:n vapaaseen 3"-päähän. Luonteeltaan uuden sidoksen muodostumisreaktio RNA:ssa viittaa nukleofiilisiin substituutioreaktioihin. Kaksi magnesium-ionia osallistuu Yksi ioni on jatkuvasti aktiivisessa keskustassa ja toinen magnesium-ioni tulee sisään nukleotidin mukana ja ribonukleotidien välisen uuden sidoksen muodostumisen jälkeen lähtee, sitten uusi nukleotidi tulee sisään uudella magnesium-ionillaan.
Kun DNA-RNA-hybridi poistuu RNA-polymeraasista, sen tulee olla irti. Tämä sisältää rakenteen, jota kutsutaan "piikiksi".
Translokaatiossa, eli RNA-polymeraasin liikkeessä DNA-juostetta pitkin, on mukana α-kierteinen rakenne, joka tarttuu β-alayksiköstä alhaalta ylös.
Kuinka sait selville, mikä entsyymin osa suorittaa minkä roolin? Molekyylibiologit tulevat seuraavalla tavalla. Ne poistavat osan proteiinisekvenssistä ja katsovat, mikä toiminto puuttuu. On osoitettu, että jos puristimen fragmentti heitetään pois (ei vielä tiedetty, että se piti DNA:ta, kun se heitettiin pois), DNA ei tartu kiinni. Sama tulos saadaan, jos etudupleksin DNA poistetaan. Loput - RNA-DNA-hybridi ja takadupleksi - liittyvät heikosti RNA-polymeraasiin.
Magnesiumin tiedetään koordinoivan kasvavan DNA-molekyylin fosfaattien ja uusien nukleotidien fosfaattien välistä sidosta. Tässä tapauksessa tapahtuu sarja reaktioita, joita kutsutaan nukleofiilisiksi substituutioreaktioiksi. Tiedetään, kuinka tämän monimutkaisen sidokset muuttuvat. Uusi nukleotidi saapuu sitoutumalla toiseen magnesium-ioniin. Uusi nukleotidi on siten vuorovaikutuksessa kasvavan DNA-juosteen kanssa. Reaktion lopussa toinen magnesiumioni poistetaan entsyymin aktiivisesta kohdasta.
RNA-polymeraasi on molekyylikoneiden edustaja. Sen lisäksi, että portti lasketaan DNA-synteesin alussa, RNA-syntaasin muiden osien konformaatio muuttuu, RNA-ketjun kasvun aikana siinä tapahtuu syklisiä muutoksia, ei niin voimakkaita kuin RNA-synteesin alussa. ketjun synteesi. Alussa porttia alennetaan 30 Ǻ ja entsyymin jokaisessa vaiheessa DNA:ta pidennetään yhdellä nukleotidilla. RNA-polymeraasielementti F-helix (alfa-heliksirakenne, terävöityminen beeta-alayksiköstä ylöspäin pääkanavaan) on mukana liikkumisessa DNA:ta pitkin. Samaan aikaan F-helix taipuu, liikkuu RNA-DNA-kompleksin mukana, vapautuu niistä ja suoristuu uudelleen. F-helix liikkuu yhdessä vaiheessa 3,4 Ǻ. Tämä on juuri RNA-polymeraasin vaihe.
Konformaatiomuutos erilaisia osia RNA-polymeraasi tapahtuu muuttamalla potentiaalienergiaa, joka liittyy sähköstaattisiin ja hydrofobisiin vuorovaikutuksiin. Voimme vetää seuraavan analogian. Jos otamme tarjottimen, jossa on omenakukkula, ravistellessamme tätä tarjotinta omenat leviävät tasaisesti alustalle. Samalla niiden painovoiman toimintaan liittyvä potentiaalienergia muuttuu. Jos RNA-syntaasimolekyyliä "ravistetaan" (ja "ravistetaan" sitä, kuten kaikkia muitakin solun molekyylejä, Brownin liike), se alkaa omaksua konformaatiota pienemmällä potentiaalienergialla. Eli molekyylikoneen liikkeen lähde on sen yksittäisten komponenttien lämpöliikkeen energia, ja koneen laite on sellainen, että tämä liike johtaa haluttuun tulokseen. Tässä tapauksessa molekyylikoneisto kuluttaa energiaa, jota käytetään pääasiassa tiettyjen sidosten tilan muuttamiseksi.
Keskitytään nyt transkription aloittamiseen. Kuten jo mainittiin, aloitus suoritetaan σ-alayksikön osallistuessa. Se on vuorovaikutuksessa DNA-rakenteen kanssa, jota kutsutaan promoottoriksi. Sillä on tällainen rakenne Escherichia colissa. Kymmenen nukleotidia ennen aloituspistettä on TATA-laatikko. Tämä ei välttämättä ole sekvenssi, mutta se on "ihanteellinen" sekvenssi vuorovaikutukselle σ-alayksikön kanssa, eli se, jolla transkriptio aloitetaan tehokkaimmin. Yksittäisten nukleotidien substituutio tässä sekvenssissä vähentää transkription aloituksen tehokkuutta. Noin 35 nukleotidiä ennen sitä on rakenne nimeltä "-35". Tämän sekvenssin tunnistaa myös σ-alayksikkö. Tätä rakennetta (sekvenssien "-10" ja "-35" yhdistelmä) kutsuttiin klassiseksi promoottoriksi, koska häntä kuvattiin ensin. Mutta kävi ilmi, että promoottorilaite voi olla erilainen. Tämä variantti sisältää saman TATA-laatikon, mutta siitä puuttuu "-35"-sekvenssi, mutta lisäksi on kaksi nukleotidia, mikä riittää σ-alayksikölle tunnistamaan promoottorin.
Tätä rakennetta kutsutaan laajennetuksi promoottoriksi. RNA-polymeraasin σ-alayksikkö sijaitsee promoottorissa DNA:ssa ja on vuorovaikutuksessa proteiinimolekyylin eri osien kanssa promoottorin osien kanssa. σ-alayksikkö tunnistaa sen DNA:n pääuran kautta. Sen jälkeen kun ydinentsyymin σ-alayksikkö sitoutuu promoottoriin, tämän alueen DNA alkaa sulaa (DNA-säikeet purkautuvat). Viime luennolla keskusteltiin siitä pareittain A-T liitäntä Nukleotidien väliset nukleotidit katkeavat helpommin kuin G-C-parissa, koska jälkimmäinen sisältää 3 vetysidosta ja kaksi ensimmäistä. Promoottori sisältää A-T-pareja, joten se sulaa melko helposti. Ja sitten RNA-synteesi alkaa, kasvava RNA-ketju työntää ulos σ-alayksikön ja tapahtuu muita muutoksia, jotka saavat σ-alayksikön irtautumaan ydinentsyymistä.
Otetaan nyt esimerkki siitä, kuinka proteiinin eri osien toimintoja tutkitaan. Jos leikkaat pienen palan proteiinia irti ja katsot kuinka proteiinin toiminnot ovat muuttuneet, voit ymmärtää, mitkä leikatun palan toiminnot olivat. Meidän tapauksessamme teimme sen toisin. Otimme kaksi DNA-polymeraasia, joista toinen otettiin Escherichia colista ja toinen lämpöä rakastavasta bakteerista (termofiilinen), joka kasvaa 800 C:ssa (laboratorio-olosuhteissa niitä kasvatetaan pullossa, joka on termostaatissa melkein kiehuvassa vedessä, luonnollisissa olosuhteissa he elävät kuumissa lähteissä, on niitä, jotka voivat elää 98 ° C:ssa), joten sen RNA-polymeraasin ja σ-alayksikön optimaalinen toiminta on 80 ° C (kuvassa σ-alayksikkö termofiilinen bakteeri näkyy punaisena ja E. coli on keltainen), ja E.-tikkut toimivat tehokkaimmin ihmiskehon lämpötilassa (koska se elää suolistossa). Sen σ-alayksikössä on vain neljä osaa, proteiini leikattiin ja tämä σ-alayksikkö fuusioitiin palan kanssa termofiilisen bakteerin σ-alayksiköstä. Ja sitten lisättiin erilaisia paloja termofiilisestä bakteerista, korvaten niillä σ-alayksikön eri fragmentteja. Sitten tarkasteltiin, oliko syntynyt fuusioproteiini aktiivinen 200 °C:ssa vai ei. Termofiilinen bakteeri ei toimi tässä lämpötilassa, se on liian kylmä sille ja E. coli on aktiivinen. Kuva osoittaa, että tietyssä lämpötilassa toimii vain se yhdistelmä, jossa σ-alayksikössä on ensimmäinen ja toinen osa Escherichia colista ja kolmas ja neljäs osa termofiilisistä bakteereista. Siten päätellään, että ensimmäinen ja toinen komponentti määräävät σ-alayksikön toimintalämpötilan.
Itse asiassa ei leikata proteiinia, vaan DNA:ta, sitten eri bakteerien DNA-palat ommellaan yhteen ja ruiskutetaan sitten bakteeriin, jossa kun tämä osa DNA:sta aktivoituu, syntetisoidaan hybridiproteiini. Tämä tekniikka kuuluu geenitekniikkaan, se kehitettiin 70-luvulla.
Toinen transkription piirre on, että bakteerisolun ydinentsyymi on sama, kun taas σ-alayksiköt voivat olla erilaisia. E. colissa on vain 7 σ-alayksikköä, ne tunnistavat erilaisia promoottoreita. Miksi tätä tarvitaan? Jos solun on kiireellisesti vaihdettava proteiinisynteesi geeniryhmästä toiseen, se voi käyttää erilaisia σ-alayksiköitä. Esimerkiksi on lämpösokkigeenejä, jos E. coli kuumennetaan tilaan, jossa hänen on erittäin vaikea elää, se käynnistää hätäjärjestelmän lämpösokkiresistanssin, vastustuskyvyn solussa tapahtuneelle tuholle. . Tämä järjestelmä sisältää joukon geenejä, joiden normaalisti ei pitäisi toimia, näillä geeneillä on oma erityinen promoottori. Ja sitten toinen σ-alayksikkö, ei pääyksikkö, syntetisoidaan ja aktivoi nämä geenit. Eli muutos alayksikössä on muutos geenien ohjelmassa. Tämä on tapa säädellä geenien toimintaa.
Lähettää
Siirrytään translaatioon - proteiinien synteesiin. Sitä suorittavat ribosomit. Ribosomi koostuu kahdesta alayksiköstä: suuresta ja pienestä.
Jokainen osahiukkanen koostuu useista kymmenistä proteiineista, joista jokainen on jo tutkittu, tiedetään kuinka kukin proteiini pakataan osahiukkaseksi. Proteiinien tutkimuksessa käytetään elektroforeesimenetelmää, eli sähkökentässä erityisessä geelissä tai erityisessä kantaja-aineessa proteiinimolekyylit erotetaan niiden varauksesta ja molekyylipainosta riippuen, eli kentän vaikutuksesta. , ne alkavat liikkua ja voivat siirtyä pois toisistaan eri etäisyyksillä. Toinen menetelmä proteiinien erottamiseksi on kromatografia, jonka tuloksena kantajalle saadaan täpliä, joista jokainen vastaa erillistä proteiinia.
Ribosomin proteiinit pidetään ribosomaalisesta RNA:sta koostuvan telineen päällä. Ribosomin muodostuminen alkaa siitä, että ribosomaaliset RNA-laskokset ja proteiinit alkavat tarttua siihen tietyssä järjestyksessä. Kuvassa näkyy ribosomin RNA. Siinä RNA-juosteen itsekomplementaariset osat pariutuvat muodostaen hiusneulat (toissijainen rakenne) ja sitten RNA-laskokset (RNA:n tertiäärinen rakenne), jotka muodostavat alipartikkelien kehyksen.
Toinen proteiinisynteesiin osallistuva RNA-tyyppi on siirto-RNA (tRNA). tRNA-molekyylit ovat suhteellisen pieniä (verrattuna ribosomaaliseen tai lähetti-RNA:han). Kaikilla tRNA:illa on yhteinen toissijainen rakenne. tRNA-molekyylin komplementaaristen alueiden pariutumisen vuoksi muodostuu kolme "vartta", joiden päissä on silmukoita, ja yksi "varsi", joka muodostuu tRNA-molekyylin 5'- ja 3'-päistä (joskus muodostuu ylimääräinen viides silmukka) . Tämän rakenteen kuva näyttää ristiltä tai apilalta. Tämän arkin "päätä" edustaa antikodonisilmukka, tässä on antikodo - ne kolme nukleotidia, jotka ovat komplementaarisesti vuorovaikutuksessa mRNA:n kodonin kanssa. Antikodonisilmukkaa vastapäätä olevaa vartta, joka muodostuu molekyylin päistä, kutsutaan akseptorivarreksi - vastaava aminohappo on kiinnittynyt tähän. Yhteensopivat tRNA:t ja aminohapot tunnistavat erityiset entsyymit, joita kutsutaan aminoasyyli-tRNA-syntetaaseiksi. Jokaisella aminohapolla on oma aminoasyyli-tRNA-syntetaasi.
Ribosomi sisältää lähetti-RNA:ta (mRNA). Antikodoni on sitoutunut komplementaarisesti mRNA:n kodoniin (kolme nukleotidia). siirtää RNA:ta jossa aminohappotähde roikkuu. Kuvassa on esitetty tällainen rakenne (tRNA yhdessä aminohapon kanssa, jota kutsutaan aminosiili-tRNA:ksi).
Translaatioprosessi, samoin kuin transkriptioprosessi, liittyy liikkumiseen nukleiinihappomolekyyliä pitkin, ero on siinä, että ribosomi askeltaa kolme nukleotidia, kun taas RNA-polymeraasi vaiheet yhden.
Aminosiilin t-RNA tulee ribosomiin sitoutuen komplementaarisesti mRNA-kodoniin, sitten tapahtuu reaktio, jossa aminohappotähteet sitoutuvat toisiinsa ja t-RNA poistetaan.
"Sanakirjaa", jolla käännetään nukleotidien kielestä aminohappojen kielelle, kutsutaan geneettiseksi koodiksi. Aminohappoja - 20, nukleotideja - 4, yhdistelmien lukumäärä 4 - 2 = 16 ja aminohappoja 20, joten koodaus ei ole kaksi, vaan kolmikirjaiminen, jokaista kolmiosaa kutsutaan kodoniksi. Jokaista aminohappoa koodaa kolme nukleotidia mRNA:ssa (jota vuorostaan koodaa DNA).
Kuvan taulukossa sivusarakkeet koodaavat kodonin vasenta ja oikeaa kirjainta, ylärivi - keskimmäinen. Esimerkiksi kodoni AUG koodaa aminohappoa metioniinia. Yhdistelmien lukumäärä 4 - 3 = 64, eli joitain aminohappoja koodaavat useat kodonit. Kolme kodonia ei koodaa mitään aminohappoa, niitä kutsutaan terminaatiokodoneiksi. Kun ne joutuvat mRNA:han, ribosomi lopettaa toimintansa ja valmis polypeptidiketju heitetään ulos.
Geneettinen kooditaulukko laadittiin 60-luvulla. Alun loivat Nirenberg ja Mattei. He yrittivät suorittaa in vitro -kokeita solu-uutteilla, joihin lisättiin keinotekoisia RNA-templaatteja. Tuolloin uskottiin, että yksittäiset nukleotidikodonit (UUU tai AAA) eivät koodaa aminohappoja. Nirenberg ja Mattei käyttivät polyU-RNA:ta (eli vain urasiileista koostuvaa) kokeissaan kontrollina, mutta tässä putkessa reaktio tapahtui. Kävi selväksi, että kodoni UUU koodaa aminohappoa fenyylialaniinia. Sitten laadittiin taulukko geneettisestä koodista.
Geneettinen koodi on universaali. Se on sama kaikille mikro-organismeille. Mitokondrioiden geneettisessä koodissa on pieniä eroja.
Geneettinen koodi on taulukko kodonien ja aminohappojen vastaavuudesta. Kun toimittajat kirjoittavat, että ihmisen geneettinen koodi on äskettäin purettu, tämä on törkeä terminologinen virhe. Ihmisen geneettinen koodi salattiin samanaikaisesti kaikkien muiden elävien olentojen kanssa - XX vuosisadan 60-luvulla. Ihmisen genomi, eli kaikkien DNA-molekyylien täydellinen nukleotidisekvenssi, on äskettäin purettu.
Luennolla käytettiin kuvia RNA-polymeraasista, jonka toimitti Andrey Kulbachinsky (Institute molekyyligenetiikka RAS).
Bibliografia
Tämän työn valmisteluun käytettiin materiaalia sivustolta http://bio.fizteh.ru.
Proteiinit syntetisoidaan kahdestakymmenestä aminohaposta, joiden esiasteet ovat erilaisia katabolian välituotteita, jotka muodostavat hiilirunkonsa. Kaikki aminohapot (kuva 8.15, A) on jaettu ryhmiin niiden biosynteettisen alkuperän mukaan. Glutamiinihapporyhmän aminohappojen synteesi (glutamiinihappo, glutamiini, arginiini, proliini) on peräisin a-ketoglutaraatista, Krebsin syklin välituotteesta. Toinen TCA-välituote, oksaloasetaatti, käynnistää reaktioketjun, joka johtaa asparagiinihapon, asparagiinin, metioniinin, treoniinin, isoleusiinin ja lysiinin muodostumiseen (asparagiinihapporyhmä). Aromaattisten aminohappojen ryhmän (tryptofaani, fenyylialaniini ja tyrosiini) synteesi alkaa PEP:n kondensaatiolla glykolyyttisestä reitistä ja erytroosi-4-fosfaatin kondensaatiosta pentoosifosfaattireitistä. Muut glykolyysin välituotteet, 3-FHA ja pyruvaatti, aiheuttavat reaktioita, jotka johtavat seriiniryhmän (seriini, glysiini, kysteiini) ja vastaavasti pyruviinihapporyhmän (alaniini, valiini, leusiini) aminohappojen synteesiin. Histidiinin biosynteesi eroaa hyvin paljon muiden aminohappojen synteesistä ja liittyy läheisesti puriinin muodostumisreitteihin. Viisijäsenisen imidatsolirenkaan kaksi hiiltä ja sivuketjun kolme hiiltä ovat peräisin fosforibosyylipyrofosfaatista. Tämän renkaan C-N-fragmentti muodostuu ATP:n puriiniytimestä ja toinen typpiatomi glutamiinista.
Useiden tärkeiden typpeä sisältävien yhdisteiden muodostuminen solussa liittyy aminohappojen biosynteesin reitteihin. Joten para-oksibentsoe- ja para-aminobentsoehapot muodostuvat aromaattisten aminohappojen, polyamiinien (putreskiini, spermidiini, spermiini) - glutamiinihapporyhmien, diaminopimeliini- ja dipikoliinihapporyhmien - biosynteesin poluilla - asparagiinihapporyhmät, pantoteeni happo - palorypälehapon ryhmät ja puriinit ja porfyriinit ovat seriiniryhmiä.
Proteiinien biosynteesi (kuva 8.15, b) esiintyy translaatioprosessissa ja sen toteuttaminen edellyttää entsyymien ja monomeerien (aminohappojen) lisäksi myös matriisin (mRNA-molekyylin) läsnäoloa, joka määrittää aminohappojen lisäyssekvenssin kasvavaan ketjuun, sekä spesifinen kantaja monomeerin aktivoimiseksi ja sen valitsemiseksi tietyn koodin (tRNA) mukaisesti. Geneettinen koodi on universaali kaikille eläville organismeille; siinä jokainen nukleotiditripletti tarkoittaa tiettyä aminohappoa. Aminohapon aktivointi tapahtuu kiinnittämällä se "omaan" tRNA:hansa ATP-energian kulutuksella. tRNA-molekyylissä on aminohappoa sitova alue, silmukka,
Riisi. 8.15. Proteiinin synteesi:
A- yleinen aminohappokaava; 6 - translaatioprosessi, jossa tunnistetaan mRNA:ssa oleva nukleotiditrio ja kiinnityskohdat ribosomiin ja entsyymiin. Ribosomi suorittaa mRNA-nukleotidisekvenssin geneettisen koodin merkkien "kääntämisen" proteiinin aminohappoketjun kirjaimiin (translaatio). Ribosomi tarjoaa vuorovaikutuksen mRNA:n kolmen nukleotidin, vastaavalla aminohapolla ladatun tRNA:n ja peptidyylitransferaasientsyymin välillä, joka muodostaa peptidisidokset kasvavan polypeptidin viimeisen aminohapon ja vasta saapuneen aminohapon välillä. Vapautunut tRNA poistetaan ribosomista ja mRNA "vedetään" ribosomin läpi niin, että seuraava nukleotidikolmio on sisällä. Translaatio jatkuu, kunnes ribosomi saavuttaa erityisen lopetuskohdan mRNA-molekyylissä, jossa polypeptidiketju erottuu ribosomista ja ribosomi itse hajoaa alayksiköiksi. Yleensä yhteen mRNA-molekyyliin on kiinnittynyt suuri määrä ribosomeja muodostaen polysomin (kuva 8.16).
Polypeptidiketju, joka kasvaa N-päästä (aminoryhmä) C-päähän (karboksyyliryhmä), poistuu ribosomista, taittuu tietyllä tavalla. Vetysidosten muodostumisen vuoksi eri aminohappotähteiden välille polypeptidin osat saavat sekundaarisen rakenteen spiraalin tai tason muodossa. Nämä osat on taitettu
Riisi. 8.16.
kolmiulotteiseksi muodostelmaksi (tertiääriseksi rakenteeksi), jota tukevat disulfidi- ja hydrofobiset vuorovaikutukset. Useiden näiden molekyylien yhdistäminen johtaa kvaternaarisen rakenteen muodostumiseen. Monet proteiinit osoittavat entsymaattista aktiivisuutta vain tertiääristen ja kvaternaaristen rakenteiden muodostumisen aikana. Prokaryoottien kääntäminen voi alkaa jo ennen transkriptioprosessin päättymistä.
Ladataan...
