Генетичний код
Передача інформації у клітині
Мета лекції:ознайомити учнів з процесами транскрипції та трансляції, познайомити з особливостями генетичного коду та передачею інформації в клітині.
План лекції:
2. Генетичний код
4. Передача інформації у клітині
Транскрипція
Передача інформації від ДНК здійснюється за допомогою інформаційної чи матричної рибонуклеїнової кислоти (мРНК). Синтез мРНК називаєтьсятранскрипцією.Молекула мРНК, комплементарна одному з ланцюгів матричної ДНК, утворюється в ході кополімеризації чотирьох рибонуклеозидтрифосфатів (аденін-, гуанозин-, цитозин-і урацилтрифосфата) з утворенням 3¢-5 звільненням неорганічного пірофосфату. Транскрипцію здійснює фермент ДНК-залежна РНК-полімераза. Синтез мРНК молекулами РНК-полімерази починається у певних місцях ДНК, званих промоторами, і завершується на спеціальних нуклеотидних послідовностях - термінаторах. Сукупність нуклеотидів ДНК, укладених між промотором та термінатором, називають транскрипційною одиницею або транскриптоном.
Процес транскрипції поділяють на 4 стадії: зв'язування РНК-полімерази з ДНК і розпізнавання промотора, ініціація, елонгація та термінація. подвійний спіралі ДНК доти, доки виявить послідовність нуклеотидів промотора. У цьому місці зв'язування молекули ферменту з ДНК стає більш міцним.передініціаційний комплекс зазнає температурно-залежних конформаційних змін, які супроводжуються локальним плавленням, тобто розплетенням подвійної спіралі ДНК, і комплекс стає здатним до транскрипції.За наявності рибонуклеозидтрифосфатів відбувається утворення перших фосфодіефірних зв'язків у молекулі синтезованої мРНК, після чого починається стадія елонгації, тобто послідовне подовження синтезованої молекули мРНК.
У 1992 р. М. Чемберлен зі співробітниками розробили загальну модель елонгації мРНК, згідно з якою переміщення РНК-полімерази вздовж ДНК і приєднання нуклеотидів до зростаючого ланцюга мРНК в активному центрі ферменту розділені в часі. Цей поділ можливий тому, що РНК-полімераза має два сайти (ділянки), що утримують зростаючий ланцюг мРНК, і дві ділянки зв'язування ДНК-матриці. Молекула РНК-полімерази переміщається вздовж ДНК подібно до гусениці: коли один сайт зв'язування ДНК фіксований, інший переміщається вперед. ДНК-залежні РНК-полімерази фагів, що складаються з однієї субодиниці, синтезують РНК в умовах in vitro зі швидкістю 200-400 нуклеотидів на секунду. При переміщенні ферменту вздовж матриці ланцюга ДНК піддаються плавленню та повторному відпалу, в результаті якого відновлюється вихідна структура ДНК. Стадія елонгації закінчується після досягнення РНК-полімеразою термінатора транскрипції. Потім синтезована РНК і РНК-полімераза звільняються з транскрипційного комплексу. Тільки мінус-ланцюг ДНК служить матрицею для синтезу мРНК.
Дільниці ДНК, що несуть інформацію про будову білка -екзони, розділені неінформативнимиінтронами. У процесі транскрипції зчитується інформація як з екзонів, і з інтронів. Утворюється попередник мРНК – про-мРНК. Молекули про-мРНКзазнають дозрівання -процесинг. У ядрі з про-мРНК відбувається вирізування інтронів та об'єднання екзонів -сплайсинг.Після цього мРНК з'єднується з білком, утворюючи инфорсому. Вона виходить через пори в ядерній оболонці до цитоплазми. мРНК вивільняється з інфорсоми і одноланцюжкова неспіралізована молекула мРНК приєднується до ділянки малої субодиниці рибосоми, що примикає до великої субодиниці. До рибосоми прикріплюється невелика ділянка ланцюга мРНК, що містить один кодон, що складається з трьох азотистих основ. Один кодон відповідає одній амінокислоті.
Генетичний код
У будь-якій даній ділянці ДНК тільки одна з двох ниток ДНК кодує амінокислоти, тому код - це послідовність нуклеотидів, а не пара нуклеотидів. Генетичний код має такі властивості:
1. Генетичний код читається групами три нуклеотида, тобто. код триплетний. Кожен триплет кодує амінокислоту, кожен триплет називається кодоном.
а) неперекриття передбачає, що кожен кодон складається з трьох нуклеотидів і кожен наступний кодон представлений наступними трьома нуклеотидами.
б)Фіксована стартова точка означає, що зчитування починається одному кінці і завершується іншому; різні частини послідовності, що кодує, не можуть зчитуватися незалежно один від одного.
Початком трансляції будь-якого гена є кодон AUG. Наприкінці гена обов'язково стоять кодони UAA, UAG чи UGA, які кодують амінокислот і є сигналами на закінчення синтезу білка - стоп-кодони. Для підвищення надійності процесу термінації стоп-кодони зазвичай дублюються. Першим при цьому, як правило, виступає кодон UAA (основний термінуючий триплет), а слідом за ним на дуже близькій відстані в тій жерамці зчитування слід один із запасних термінуючих триплетів - UAG або UGA.
Таблиця – Відповідність кодонів генетичного коду амінокислотам білка
| Перша буква в кодоні (5') | Друга буква в кодоні | Третя буква в кодоні (3') | |||
| U | З | А | G | ||
| U | Фен (F) Фен (F) Лей (L) Лей (L) | Сірий (S) Сірий (S) Сірий (S) Сірий (S) | Тир (Y) Тир (Y) Stop Stop | Ціс (С) Цис (С) Stop Трп (W) | U з А G |
| З | Лій (L) Лій (L) Лій (L) Лій (L) | Про (Р) Про (Р) Про (Р) Про (Р) | Гіс (Н) Гіс (Н) Глн (Q) Глн (Q) | Apr(R) Apr(R) Apr(R) Apr(R) | U С А G |
| А | Іле (I) Іле (I) Іле (I) Мет (М) | Тре (Т) Тре (Т) Тре (Т) Тре (Т) | Ach(N) Ach(N) Ліз (К) Ліз (К) | Сірий (S) Сірий (S) Apr (R) Apr (R) | U С А G |
| G | Вал(У) Вал(У) Вал(У) Вал(У) | Ала (А) Ала (А) Ала (А) Ала (А) | Асп (D) Асп (D) Глу (Е) Глу (Е) | Глі (G) Глі (G) Глі (G) Глі (G) | U С А G |
Примітка
U – урацил, С – цитозин, А – Аденін, G – гуанін, F, L, I і т.д. - однолітерні скорочення назв амінокислот, Фен, Сір тощо. -Трилітерні скорочення. Кодони UAA, UAG, UGA – не кодують амінокислот. Ці кодони є сигналами термінації трансляції – стоп-кодонами.
в)Якщо генетичний код зчитується триплетами, що не перекриваються, є тільки три можливості транслювання нуклеотидної послідовності в амінокислотну, залежно від стартової точки. Ці три можливості називають рамками зчитування.
Мутація, внаслідок якої інсертуєтьсяабо делетується один нуклеотид і змінюється рамка зчитування всієї наступної послідовності, називається зсувом рамки.Оскільки послідовність нової рамки зчитування повністю відмінна від початкової, вся амінокислотна послідовність буде зміненою нижче мутації. Функція такого білка повністю втрачена.
Проблема кодування в молекулярній біології була вперше поставлена Г. Гамов ще на початку 50х років, тобто. задовго до відкриття самої мРНК. Розмірковуючи над тим, як лінійна послідовність чотирьох різних нуклеотидів може визначити послідовність двадцяти різних амінокислот у білку, Гамов припустив, що генетичний код є триплетним. Він же поставив питання і про інші властивості генетичного коду: перекриття, ком між кодонами, виродженості.
3.Генетичний код є виродженим, тому, що одній амінокислоті може відповідати кілька кодонів (Таблиця). Однак, кодони використовуються не з однаковою частотою.Наприклад, у дрозофіли, в результаті паралельного вивчення послідовностей кодонів в генах та амінокислот, кодованих ними, при цьому сумарна довжина генів відповідала 269 т.п.н., було показано, що кодони використовуються із різними частотами.
У 1968 році за відкриття та інтерпретацію генетичного коду та його функції у білковому синтезі Нобелівська премія була присуджена Р. Холлі, X. Г. Хоране та М.В. Ніренберг.
4.Генетичний код універсальний, у тому сенсі, що певному кодону відповідає певна амінокислота.Наприклад, AUG-кодон кодує метіонін у будь-якого організму. Однак, у міру розширення кола об'єктів молекулярної генетики стали накопичуватися винятки, які зробили код "квазіуніверсальним". Стосується це насамперед мітохондріальнихгеномів.
Трансляція
Трансляція(переклад) – процес втілення генетичної інформації мРНК у структуру поліпептиду. Це другий етап білкового синтезу, що здійснюється послідовною поліконденсацією окремих амінокислотних залишків, починаючи з амінокінця поліпептидного ланцюга до карбоксильного кінця.
Зріла матрична РНК виходить у цитоплазму, де здійснюється процес транскрипції - декадування мРНК в амінокислотну послідовність білка. Процес декадування здійснюється у напрямку від 5`→3` і відбувається у рибосомах. Комплекс мРНК і рибосом називається полісомою . Подібно до транскрипції механізм трансляції складається з трьох етапів: ініціації, елонгації та термінації.
Трансляція починається зі стартового кодону АУГ, який при локалізації в смисловій частині структурного гена кодує амінокислоту метіонін. Кожну амінокислоту доставляє до полісом транспортна РНК (тРНК), специфічна до цієї амінокислоти. тРНК виконує роль посередника між кодоном мРНК та амінокислотою. Молекули тРНК дізнаються у цитоплазмі відповідний триплет (кодон у мРНК) за принципом парування комплементарних азотистих основ. тРНК, яка підходить до малої субчастиці, утворює зв'язок кодон-антикодон, при цьому одночасно передає свою амінокислоту в аміноацильну ділянку (А-ділянка) великій субодиниці. До кодону АУГ «підходить» антикодон тільки тРНК, яка переносить метіонін. Тому насамперед до рибосоми доставляється метіонін. Потім кодон АУГ переходить на пептидильну ділянку великої субодиниці (Р-дільниця). В результаті цих процесів утворюється транслююча рибосома - ініціюючий комплекс.
Елонгація– це послідовне включення амінокислотних залишків до складу зростаючої поліпептидноїланцюги. Кожен акт елонгації складається із трьох етапів:
- впізнавання кодону, яке полягає у зв'язуванні антикодону з черговою молекулою тРНК, що несе амінокислоту, з кодоном вільної А-ділянки на рибосомі;
- утворення пептидного зв'язку, яке відбувається лише тоді, коли обидві ділянки А та Р зайняті молекулами тРНК. Частина великої субодиниці рибосоми - фермент пептидилтрансферазу, що каталізує утворення пептидного зв'язку;
- транслокація, де тРНК ділянки Р, не пов'язана з пептидом, залишає рибосому. Потім молекула тРНК з поліпептидом переходять з А на Р-ділянку і, нарешті, рибосома переміщається вздовж РНК на один кодон.
Термінація(закінчення синтезу) відбувається за командою кодонів УАА, УАГ, УГА. У природі немає таких молекул тРНК, антикодони яких відповідали цим кодонам.
Кожна мРНК транслюється, зазвичай, кілька разів, після чого руйнується. Середнє життя молекули мРНК близько 2 хв. Руйнуючи старі і утворюючи нові мРНК, клітина може досить суворо регулювати як тип білків, що продукуються, так і їх кількість. Це регуляція синтезу білка лише на рівні транскрипції. У еукаріотів можливе регулювання і на рівні трансляції.
Синтез білка – один із найістотніших показників життя.