Строение оперона прокариот.

У прокариот регуляторные зоны «обслуживают» несколько генов. Эти гены вместе с регуляторными элементами носят название оперон. Таким образом, оперон состоит из двух функционально различных участков: (см. рис. 18, А).

Кодирующего участка, который содержит несколько структурных генов.
Регуляторной зоны, которая включает следующие участки:

а. Стартовый кодон – сайт (место) инициации транскрипции.

б. Терминатор – сайт конца транскрипции.

в. Лидирующую область.

г. Трейлерную область.

д. Промотор.

е. Оператор.

ж. Активатор

з. Спейсеры.

Оперон

Регуляторная зона Кодирующая область (Гены)

А 5’ 3’

Регуляторная зона Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3

Б 5’ 3’

Сайт начала транскрипции Терминатор

В 5’ 3’

Лидерная последовательность Трейлерная последовательность.

Ак. Пр. Оп. К о д и р у ю щ а я о б л а с т ь

Г 5’ 3’

Строение гена эукариот.

В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково. Ген эукариот так же как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Но такой тандем у эукариот не называется опероном. Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК. Также как и у прокариот, рассмотрим не только строение самого гена – кодирующей его части, но и обслуживающие его элементы – регуляторные зоны.

Ген (кодирующая часть) состоит из:

а. Экзонов.

б. Интронов.

Регуляторные участки гена содержат:

а. Стартовый кодон – сайт (место) начала транскрипции.

б. Терминатор – сайт окончания транскрипции.

в. Лидерную последовательность.

г. Трейлерную последовательность.

д. Промотор.

е. Контролирующие зоны располагаются вблизи от обслуживаемого гена.

ж. Модуляторы (энхансеры, сайленсеры) – располагаются вдали от гена.

Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий от аналогичной области прокариот (рис. 22). Отметим два из них.

1. Как правило, кодирующая область представлена не несколькими генами, а одним. Каждый ген у эукариот имеет свою регуляторную область.

2. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её. Участки, несущие информацию носят название экзоны, не несущие называются интроны. Число интронов у различных организмов различно.

э и э и э и э

5’ 3’

Трейлерная последовательность

Лидерная последовательность

Сайт конца транскрипции

Сайт начала транскрипции

Рис. 21. Схема кодирующей области гена эукариот (э – экзоны, и – интроны).

Транскрипция у прокариот

Экспрессия гена – это реализация генетической информации, закодированной в ДНК, путём её транскрипции и трансляции. Транскрипция – первый этап экспрессии генов. Заключается она в переводе информации, содержащейся в гене на РНК путём синтеза последней на одной нити ДНК гена. В результате транскрипции синтезируются все виды РНК – информационная (иРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК) и другие (регуляторные, малые ядерные и пр.). Все они принимают участие в экспрессии генов, но только иРНК переносит информацию о строении белка с нуклеотидного «текста» ДНК на аминокислотный «текст» белка. Все остальные виды РНК обеспечивают эффективное осуществление этого процесса.

Суть транскрипции заключается в следующем: специальные ферменты подготавливают молекулу ДНК в области гена к транскрипции (раскручивают спираль ДНК, разрывают водородные связи между нитями и т.д.). Фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует РНК на матричной нити ДНК от стартовой точки до точки окончания транскрипции. Синтез РНК заключается в последовательном наращивании в ней нуклеотидов комплементарных матричной нити ДНК. Исключение составляет урацил РНК, который вставляется против аденина матричной нити ДНК.

В транскрипции принимают участие множество ферментов, но непосредственно синтез РНК осуществляет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза (или просто РНК-полимераза). У прокариот все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК) синтезируются одной РНК-полимеразой.

Транскрипция у эукариот

У эукариот все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК) синтезируются синтезируются тремя разными ферментами: РНК-полимеразой I, РНК-полимеразой II и РНК-полимеразой III.

Информационные РНК у эукариот транскрибируются РНК-полимеразой II.

Транскрипция это сложный многоэтапный процесс и одна РНК-полимераза не в состоянии полностью обеспечить его. На разных этапах транскрипции к РНК-полимеразе присоединяются и, наоборот, отщепляются различные белковые субъединицы, которые модифицируют её активность в соответствии с требованиями данного этапа.

Транскрипция, как и все процессы матричного синтеза у про- и эукариот, состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации.

Транскрипция –первый этап экспрессии генов и заключается в синтезе РНК на одной нити ДНК ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (РНК-полимеразой). Состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации. Во время инициации формируется инициаторный комплекс, состоящий белка прикреплённого к промотору, РНК-полимеразы и нескольких факторов инициации. Одновременно формируется транскрипционный «глазок». Во время элонгации происходит наращивание нити РНК в соответствии с комплементарными нуклеотидами на матричной (антисмысловой) цепочки ДНК. Сигналом терминации является определённая последовательность нуклеотидов в матричной цепочки ДНК. При транскрипции чаще, чем при репликации возникают ошибки при спаривании нуклеотидов.

Трансляция у прокариот

Трансляция у эукариот

Это перевод информации из полинуклеотидной последовательности иРНК в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется этот перевод путём синтеза белка на матрице – иРНК. В трансляции принимают участие рибосомы, тРНК, рРНК, различные ферменты. Состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации. На стадии инициации образуется инициаторный комплекс, который состоит из малой субъединице рибосомы, иРНК, тРНК несущей метионин. После присоединения к нему большой субъединице рибосомы наступает стадия элонгации, который заключается в присоединении тРНК, несущих аминокислоты к иРНК и связывание аминокислот друг с другом. Процесс происходит в двух активных центрах, расположенных на границе малой и большой субъединице. Трансляция заканчивается, когда в рибосому попадает «бессмысленный» кодон, не кодирующий аминокислоты.

а. Инициация.

Рибосомы находятся в цитоплазме в трёх состояниях:

- диспергированном, когда большая и малая субъединицы находятся отдельно друг от друга,

- в состоянии комплекса, когда малая и большая субъединица объединены в один ансамбль, а между ними проходит иРНК.

- в форме полиробосомы (полисомы) – на одну нить иРНК «нанизаны» несколько рибосомальных комплексов. Каждый из них синтезирует белок (см. рис. 65).

В инициации происходит процесс формирования инициаторного комплекса. В это процесс входят три следующих друг за другом этапа.

1. Малая субъединица рибосомы определяет 5^’ конец иРНК, содержащий «кэп», и присоединяется к нему.

2. Скользя по иРНК, малая субъединица «находит» расположенный вблизи «кэпа» стартовый кодон. В этом месте субъединица останавливается и фиксируется на иРНК. Сформировалась система, состоящая из двух элементов - малой субъединицы и нити иРНК. Система устроена таким образом, что в малой субъединицы располагаются только 2 кодона, каждый из них занимает свою активную область или центр или П или А. Стартовый кодон располагается в функциональном центре «П». В другом функциональном центре (А) располагается кодон первой аминокислоты входящей в белок. Еще раз подчеркнём, что два функциональных центра в малой субъединице не активны. Они активируются только при присоединении большой субъединице, в которой находятся аналогичные центры П и А.

У многих организмов стартовый кодон (или инициирующий кодон) в иРНК содержит триплет комплементарный антикодону аминоацил-тРНК несущий метионин. С метионинового кодона, как правило, начинается синтез белка.

3. К стартовому кодону, находящемуся в «П» участке, прикрепляется аминоацил-тРНК, несущая аминокислоту метионин. Комплекс, состоящий из малой субъединице рибосомы, иРНК, метиониновой-тРНК называют инициаторный комплекс

Б. Элонгация

Как только к инициаторному комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы, начинается этап инициации. С присоединением большой субъединицы в рибосоме формируются два полноценных функциональных центра «П» и «А». В обоих центрах размещаются только два кодона иРНК. В центре «П» находится метиониновая-тРНК, а к участку «А», который открыт в цитоплазму, пробуют присоединиться аминоацил-тРНК несущие разные аминокислоты. Присоединяется только та аминоацил-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону иРНК, находящемуся в«А» участке. В нашем случае в «А» участок попадает триптофановая аминоацил-тРНК (Т) (рис.67, В, Г).

Специальные ферменты соединяют пептидной связью две аминокислоты находящиеся в функциональных участках между собой. Одновременно происходит разрыв между тРНК и аминокислотой метионином. Метионин остаётся присоединённым к триптофану в участке «А», а в участке «П» находится освобождённая от аминокислоты тРНК. Специальный фермент, используя энергию макроэргов (АТФ) продвигает рибосому по иРНК на один триплет (шаг) по направлению к 3^’концу иРНК. При этом из участка «П» тРНК освобождается и выходит в цитоплазму, а её место занимает аминоацил-тРНК несущая триптофан (Т) и прикреплённый к триптофану метионин (М). «А» центр становится свободным и на кодон, находящейся в нём иРНК, начинают претендовать другие цитоплазматические аминоацил-тРНК. Присоединяется та аминокислота, антикодон которой комплементарен кодону иРНК «А» участка. Затем цикл повторяется.

Функциональные обязанности малой и большой субъединиц рибосом, различны. Малая субъединица присоединяет аминоацил-тРНК (т.е. декодирует информацию), а большая субъединица отвечает за образование пептидной связи между аминокислотами.

В. Терминация.

Конец трансляции наступает тогда, когда в «А» участок рибосомы попадает один из стоп-кодонов (УАГ, УАА, УГА). Для них нет соответствующих аминоацил- тРНК и процесс синтеза белка останавливается.

К стоп-кодону присоединяются факторы терминации (белки), которые активируют ферменты, находящиеся в рибосомах. Эти ферменты, в свою очередь, осуществляют процесс отщепления синтезированного белка от тРНК и вызывают диссоциацию рибосомы на субъединицы.

Следует отметить интересный феномен, наблюдаемый в терминации. Ранее мы отмечали (см раздел «Процессинг»), что конец нити иРНК, где располагается терминатор, заканчивается полиадениловым «хвостиком» - Поли-А. При окончании синтеза полипептида, рибосома сходит с нити иРНК, «откусывая» при этом одно адениловое основание от Поли-А. Следующая рибосома, завершив синтез, также отщепляет одно основание и т.д. Как только все основания будут утрачены, иРНК разрушается ферментами. Таким образом, Поли-а, являются своеобразными биологическими часами, отмеряющими длительность существования иРНК и количество синтезированных с определённой иРНК белков. Длиннее Поли-А – больше молекул белка будет синтезироваться с этой иРНК и наоборот.