Регуляция работы генов у эукариот.

Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г.П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее по сравнению со схемой регуляции у прокариот более сложны. Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной и информативной зон. Деинформативная (акцепторная) зона начинается промотором с инициаторов транскрипции. Далее следуют группа генов-операторов, за которыми расположена информативная зона. Информативная зона образована, как правило, одним структурным геном, в конце которого расположен терминатор транскрипций.

Структурные гены эукариот имеют вставки из неинформативных, "молчащих", участков ДНК - интронов. Информативные участки структурных генов называются экзонами. Один структурный ген может содержать десятки экзонов и интронов.

Работу транскриптона регулируют несколько генов-регул-торов, дающих информацию для синтеза такого же количества белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-поли-мераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона, начиная с инициатора транскрипции. По правилу комплементарности на кодирующей цепочке сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК), списывающая информацию (порядок нуклеотидов) как с информативной, так и с неинформативной зоны. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг – ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекулы и-РНК формируются посредством сплайсинга (сплавления) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Этот процесс называется созреванием. В начале зрелой и-РНК имеется кодон-инициатор, а в конце – кодон-терминатор трансляции. В каждый определенный момент сплавляться могут фрагменты и-РНК, соответствующие разным экзонам структурного гена. Благодаря этому один структурный ген может детерминировать синтез нескольких разных белков, т. е. он является полицистронным, а зрелая и-РНК - моноцистронная (определяет синтез конкретного полипептида). Далее зрелая и-РНК выходит из ядра и поступает в рибосомы, где и происходит синтез соответствующих белков-ферментов, расщепляющих индуктор. Включение и выключение транскриптона осуществляется принципиально так же, как и оперона (рис. 8).

Рис. 8. Схема регуляции транскрипции у эукариот

 

Таким образом, у эукариот синтез и-РНК и ее трансляция происходят независимо друг от друга в разное время в различных частях клетки: сначала транскрипция и созревание в ядре, а затем трансляция в рибосомах цитоплазмы.

В геноме эукариот встречаются уникальные последовательности нуклеотидов (одна в геноме), составляющие от 15 до 98% всего генома (у человека – 56%). Уникальные последовательности входят в состав структурных генов (несут информацию о структуре полипептидов), причем более половины из них — неактивные (в клетках разных тканей "работают" различные блоки генов).

Наличие неинформативных участков (интронов) в генах эукариот ~ универсальное явление. Считается, что интроны содержат запасную информацию, обеспечивающую изменчивость. В гено-мах эукариот также содержатся последовательности нуклеотидов, которые многократно повторяются (десятки, сотни и даже миллионы раз). Повторяющиеся последовательности нуклеотидов выполняют разнообразные функции: являются промоторами, инициаторами, терминаторами, регулируют репликацию молекул ДНК, участвуют в кроссинговере и т. д.

В геномах эукариот содержатся также повторяющиеся последовательности нуклеотидов с непостоянной локализацией (способны передвигаться вдоль молекулы ДНК) – т р а н с п о-

з о н ы, которые могут изменять активность структурных генов, расположенных рядом.

Жизнедеятельность организма обусловлена в основном функциональной активностью уникальных генов, которая в свою очередь зависит от состояния внутренней среды организма (например, от гормонального фона) и условий окружающей среды.

Занятие 2. Процессы синтеза белка, ген в современном понятии, свойства гена, регуляция генной активности у прокариот и эукариот.

Литературa: 1, 2, 7, 9.

Вид занятия: лабораторное.

Время: 2 часа.

Место проведения: учебный класс.

Цель занятия: Изучить расшифровку генетического кода, его свойства, особенности синтеза белка в клетке. Ознакомиться со строением и функцией гена, регуляцией активности генов у эукариот и прокариот и механизмами реализации генетической информации.

Материальное обеспечение: сборники задач, индивидуальные задания, рисунки, таблица генетического кода.

Содержание и методика проведения занятия.

Задание 1.

а) На приведенной цепочке ДНК образуйте комплементарную цепочку ДНК с обозначением водородных связей:

б) На участке цепи ДНК синтезируйте – и-РНК.

в) На и-РНК (м-РНК) определите последовательность включения аминокислот в молекулу полипептидной цепи белка.

Задание 2. В соответствии с последовательностью аминокислот в полипептиде определите состав кодонов в и-РНК, состав триплетов на участке ДНК (ген).

Полипептид

и-РНК

ДНК

Задание 3. На основании антикодонов т-РНК определите кодоны и-РНК и постановку соответствующих аминокислот.

Кодоны и-РНК

Антикодоны т-РНК

Полипептид

 

Задание 4. Объясните сущность и схему синтеза белка в клетке.

 

 

Контрольные вопросы (20 мин.):

1. Генетический код и его свойства.

2. Синтез белка в клетке.

а) Транскрипция.

б) Процессинг (процесс созревания и-РНК).

в) Трансляция.

3. Ген, строение, свойства.

4. Регуляция генной активности у эукариот и прокариот.

 

 

Подведение итогов 10 мин.